半导体二极管基础知识解读

1、 1.1 半导体的基础知识 物体根据导电能力的强弱可分为导体、半导体和绝缘体三大类。凡容易导电的物质（如金、银、铜、铝、铁等金属物质）称为导体；不容易导电的物质（如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等）称为绝缘体；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质（如硅、锗、硒等）称为半导体。半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有热敏性、光敏性、掺杂性等特殊性能。 1.1.1本征半导体 本征半导体是一种纯净的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。 半导体硅和锗都是4价元素，其原子结构如图1.1(a),(b)所示。半导体二极管基础知识解读半导体二极管基础知识解读4惯性核价电子Ge32Si14原子核

2、电子轨道价电子(a)(b)(c) 图1.1半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型 第一章 半导体二极管 本征半导体晶体结构示意图如图1.2所示。由图1.2可见，各原子间整齐而有规则地排列着，使每个原子的4个价电子不仅受所属原子核的吸引，而且还受相邻4个原子核的吸引，每一个价电子都为相邻原子核所共用，形成了稳定的共价键结构。每个原子核最外层等效有8个价电子，由于价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此，本征半导体导电能力较差。 但是，如果能从外界获得一定的能量（如光照、温升等），有些价电子就会挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在共价键中留下一个空位，称为“空穴”。空

3、穴的出现使相邻原子的价电子离开它所在的共价键来填补这个空穴，同时，这个共价键又产生了一个新的空穴。这个空穴也会被相邻的价电子填补而产生新的空穴，这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动，并把空穴看成一种带正电荷的载流子。空穴越多，半导体的载流子数目就越多，因此形成的电流就越大。第一章 半导体二极管4共价键44444444价电子图1.2 单晶硅的共价键结构第一章 半导体二极管看看这里看看这里 在本征半导体中，空穴与电子是成对出现的，称为电子空穴对。其自由电子和空穴数目总是相等的。本征半导体在温度升高时产生电子空穴对的现象称为本征激发。温度越高，产生的电子空穴对数目就越多，这就是半导体的热

4、敏性。 在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而导体中只有自由电子这一种载流子，这是半导体与导体的不同之处。 1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质元素，就会使半导体的导电性能发生显著改变。根据掺入杂质元素的性质不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。 1. P型半导体 P型半导体是在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的3价元素（如硼、铟等）而形成的。因杂质原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少1个电子，因此在晶体中便产生一个空穴，当相邻共价键上的电子受热激发获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键因缺少了一个

5、电子，便形成了空穴，使得整个半导体仍呈中性，如图1.3所示。第一章 半导体二极管图1.3 P型半导体的共价键结构第一章 半导体二极管 在P型半导体中，原来的晶体仍会产生电子空穴对，由于杂质的掺入，使得空穴数目远大于自由电子数目，成为多数载流子(简称多子)，而自由电子则为少数载流子(简称少子)。因而P型半导体以空穴导电为主。 2. N型半导体 N型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的5价元素（如磷、砷、镓等）而形成的，杂质原子有5个价电子与周围硅原子结合成共价键时，多出1个价电子，这个多余的价电子易成为自由电子，如图1.4所示。 综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体

6、掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。第一章 半导体二极管4自由电子44454444施主原子 图1.4 N型半导体的共价键结构第一章 半导体二极管 1.1.3 PN结及其单向导电性 1.PN结的形成 在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称其为PN结。 PN结的形成过程如图1.5所示。第一章 半导体二极管P区(a)N区(b)PN耗尽层空间电荷区扩散运动方向自建场 图1.5 PN结的形成（a）多子扩散示意图；（b）PN结的形成第一章 半导体二极管 2. PN结的单向导电性 1）PN结正向偏置导通 给PN结加上电压，使电压的正极接P区，负极接N

7、区（即正向连接或正向偏置），如图1.6（a）所示。由于PN结是高阻区，而P区与N区电阻很小，因而外加电压几乎全部落在PN结上。由图可见，外电场将推动P区多子（空穴）向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和，推动N区的多子（电子）向左扩散与原空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，其结果使电路中形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时PN结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。第一章 半导体二极管结变窄PN自建场方向外电场方向正向电流（很大）结变宽PN自建场方向外电场方向反向电流（很小）(a)(b) 图1.6 PN结的单向导电

8、性 （a）正向连接; （b）反向连接第一章 半导体二极管看看这里看看这里 2）PN结反向偏置截止 将PN结按图1.6（b）所示方式连接（称PN结反向偏置）。由图可见，外电场方向与内电场方向一致，它将N区的多子（电子）从PN结附近拉走，将P区的多子（空穴）从PN结附近拉走，使PN结变厚，呈现出很大的阻值，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以认为PN结截止。 综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大；PN结反向偏置时，反向电流很小，这就是PN结的单向导电性。 3) PN结的电容效应 (1)势垒电容CT。当PN结的外加电压大小变化时

9、，PN结空间电荷区的宽度也随着变化，即电荷量发生变化。这种电荷量随外加电压的变化所形成的电容效应称为势垒电容。势垒电容通常用CT表示。CT不是一个常数，它随外加电压的变化而变化。利用势垒电容可以制成变容二极管。第一章 半导体二极管 (2)扩散电容CD。扩散电容是PN结在正向偏置时，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。扩散电容通常用CD表示。 PN结的结电容Cj包含两部分，即Cj=CT+CD。一般情况，PN结正偏时，扩散电容起主要作用，即 Cj=CD;PN结反偏时，势垒电容起主要作用，即 Cj=CT。 2 半导体二极管2.2.1 半导体二极管的结构、符号及类型 1结构符号二极管的结构外形

10、及在电路中的文字符号如图1.7所示,在图1.7(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通电流方向。第一章 半导体二极管PN(阳极)外壳阴极引线阳极引线(阳极)(阴极)(阴极)(a)(b)V第一章 半导体二极管 图1.7 二极管结构、符号及外形举例 (a)结构；(b)符号2AP2CP2CZ542CZ132CZ30(c) 图1.7 二极管结构、符号及外形举例 (c)外形第一章 半导体二极管 2类型 (1) 按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。 (2) 按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管。 (3) 按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。 (4）

11、按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。 (5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。 1.2.2 半导体二极管的特性 1.伏安特性 根据制造材料的不同，二极管可分为硅、锗两大类。相应的伏安特性也分为两类。图1.8（a）所示为硅二极管的伏安特性;图1.8（b）所示为锗二极管的伏安特性。现以图1.8（a）所示硅二极管为例来分析二极管的伏安特性。 第一章 半导体二极管00.40.81.2U / V48I / mAA1020BC二极管特性死区电压I / A(a)50100150UBEDRUIRUI 图1.8 二极管的伏安特性 （a）硅二极管2CP6; 第一章 半导体二极管0 0.4 0.8 1.

12、2U / V48I / mAA0.2BC死区电压I / A(b)1020UB3040 图1.8 二极管的伏安特性 （b）锗二极管2AP15第一章 半导体二极管 1）正向特性 OA段：称为“死区”。 AB段：称为正向导通区。 2）反向特性 OD段：称为反向截止区。这时二极管呈现很高的电阻，在电路中相当于一个断开的开关，呈截止状态。 DE段：称为反向击穿区。当反向电压增加到一定值时，反向电流急剧加大，这种现象称为反向击穿。发生击穿时所加的电压称为反向击穿电压，记做B。这时电压的微小变化会引起电流很大的变化，表现出很好的恒压特性。同样，若对反向击穿后的电流不加以限制，结也会因过热而烧坏，这种情况称为

13、热击穿。第一章 半导体二极管 2. 温度特性 温度对二极管伏安特性的影响如图1.9所示。(1)当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动。这是因为温度升高时，扩散运动加强，产生同一正向电流所需的压降减小的缘故。(2)当温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动。这是因为温度升高，本征激发加强，半导体中少子数目增多，在同一反向电压下，漂移电流增大的缘故。(3)当温度升高时，反向击穿电压减小。击穿现象是由于大的反向电流使少数载流子获得很大的动能，当它与结内的原子发生碰撞时，产生了很多的电子空穴对，使结内载流子数目急剧增加，并在反向电压作用下形成很大的反向电流。因此温度升高时，反向击穿电压减小。综上所

14、述，温度升高时，二极管的导通压降F降低，反向击穿电压B减小，反向饱和电流IS增大。第一章 半导体二极管604020100200300102000.518020U / VUFIS / AI / mA图1.9 温度对二极管伏安特性的影响第一章 半导体二极管 2.3 半导体二极管的主要参数 二极管的参数是定量描述二极管性能的质量指标，只有正确理解这些参数的意义，才能合理、正确地使用二极管。 1. 最大整流电流IF 最大整流电流是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结时要引起管子发热。电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。例如2AP1最大整流电流为16mA。 2. 反向

15、击穿电压UB 反向击穿电压是指反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，使二极管的单向导电性被破坏，甚至会因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全工作。例如2AP1最高反向工作电压规定为20V，而实际反向击穿电压可大于40V。第一章 半导体二极管 3. 反向饱和电流IS 在室温下，二极管未击穿时的反向电流值称为反向饱和电流。该电流越小，管子的单向导电性能就越好。由于温度升高，反向电流会急剧增加，因而在使用二极管时要注意环境温度的影响。 二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号管子的参数。在使用时，应特别注意不要超过最大整流电

16、流和最高反向工作电压，否则管子容易损坏。 1.4 特殊二极管前面主要讨论了普通二极管,另外还有一些特殊用途的二极管,如稳压二极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管等,现介绍如下。 1稳压二极管 1）稳压二极管的工作特性 稳压二极管简称稳压管,它的特性曲线和符号如图1.20所示。第一章 半导体二极管看看这里看看这里(a)UZUZUBUAU / VOIZIZIA(IZmin)IB(IZmax)ABI / mAV 图1.20稳压二极管的特性曲线和符号 (a)伏安特性曲线；(b)符号第一章 半导体二极管(b)看看这里看看这里 2）稳压二极管的主要参数 （1）稳定电压UZ。 稳定电压UZ即反向击穿电压

17、。 (2)稳定电流IZ。稳定电流IZ是指稳压管工作至稳压状态时流过的电流。当稳压管稳定电流小于最小稳定电流IZmax时,没有稳定作用;大于最大稳定电流IZmax时,管子因过流而损坏。 2发光二极管发光二极管与普通二极管一样,也是由PN结构成的,同样具有单向导电性,但在正向导通时能发光,所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件。电路符号如图1.24所示。图1.2.4 发光二极管电路符号V第一章 半导体二极管 1）普通发光二极管 普通发光二极管工作在正偏状态。 检测发光二极管,一般用万用表R10k()挡,方法和普通二极管一样,一般正向电阻15k左右,反向电阻为无穷大。 2）红外线发光二极管 红外线发光二极管工作在正偏状态。 用万用表R1k()挡检测,若正向阻值在30k左右,反向为无穷大,则表明正常,否则红外线发光二极管性能变差或损