第二章半导体二极管及其应用电路

1、1第二章第二章 半导体二极管及其基本应用电路半导体二极管及其基本应用电路 2022-5-322022-5-33 半导体半导体( (semiconductor) )器件是在器件是在20世纪世纪50年代初发展起来年代初发展起来的器件，由于具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、的器件，由于具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点，已广泛应用于家电、汽车、计算机及功率转换效率高等优点，已广泛应用于家电、汽车、计算机及工控技术等众多领域，被人们视为现代技术的基础。工控技术等众多领域，被人们视为现代技术的基础。 这一章的任务就是让学习者在了解半导体的特殊性能、这一章的任务就是

2、让学习者在了解半导体的特殊性能、PN结结( (PN junction) )的形成及其单向导电性的基础上，进一步认识的形成及其单向导电性的基础上，进一步认识半导体二极管、半导体三极管这些半导体器件。半导体二极管、半导体三极管这些半导体器件。 通过对这些半导体器件的结构、工作原理、特性曲线及特通过对这些半导体器件的结构、工作原理、特性曲线及特性参数等方面的剖析，掌握二极管、三极管等半导体器件的结性参数等方面的剖析，掌握二极管、三极管等半导体器件的结构特点和工作原理；在技术能力上掌握正确测试半导体器件的构特点和工作原理；在技术能力上掌握正确测试半导体器件的好坏及极性的判别方法，并能看懂由这些半导体器

3、件作为核心好坏及极性的判别方法，并能看懂由这些半导体器件作为核心元件构成的简单电子线路图，初步掌握一些元件构成的简单电子线路图，初步掌握一些EWB电路仿真技能。电路仿真技能。 2022-5-34 半导体的导电性能力虽然介于导体和绝缘体之间，但是却半导体的导电性能力虽然介于导体和绝缘体之间，但是却能够引起人们的极大兴趣，这与半导体材料本身存在的一些独能够引起人们的极大兴趣，这与半导体材料本身存在的一些独特性能是分不开的。特性能是分不开的。 温度升高，大多数半导体的电阻率下降。温度升高，大多数半导体的电阻率下降。由于半导体的电阻率对温度特别灵敏，利用这种特性就可以做由于半导体的电阻率对温度特别灵敏

4、，利用这种特性就可以做成各种热敏元件。成各种热敏元件。 许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。利用这种特性可制成各种光电元件。利用这种特性可制成各种光电元件。 在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管晶闸管、场效应管等。晶闸管、场效应管等。2022-5-35 在半导体物质中，目前用得最多的材料是在半导体物质中，目

5、前用得最多的材料是硅和锗。在硅和锗的原子结构中，最外层电子硅和锗。在硅和锗的原子结构中，最外层电子的数目都是的数目都是4个，个，因此被成为四价元素，因此被成为四价元素，如图如图2-1所示。所示。 天然的硅和锗材料是不能制成天然的硅和锗材料是不能制成半导体器件的，必须经过高度提纯半导体器件的，必须经过高度提纯工艺将它们提炼成纯净的单晶体。工艺将它们提炼成纯净的单晶体。单晶体的晶格结构是完全对称，原单晶体的晶格结构是完全对称，原子排列得非常整齐，故常称为晶体，子排列得非常整齐，故常称为晶体，就是我们所说的本征半导体其平面就是我们所说的本征半导体其平面示意图如图示意图如图2-2所示。所示。 2022

6、-5-36 当温度上升或受光照时，共价键中的一些价电子以热运动的当温度上升或受光照时，共价键中的一些价电子以热运动的形式不断从外界获得一定的能量，少数价电子因获得的能量较大，形式不断从外界获得一定的能量，少数价电子因获得的能量较大，而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原来的共价键的相而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原来的共价键的相应位置上留下一个空位，叫空穴。如图应位置上留下一个空位，叫空穴。如图2-3所示。所示。 如图所示的如图所示的A处为空穴，处为空穴，B处为自由电子，显然，自由处为自由电子，显然，自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴是成对出现的，所以称它们为所以称它们为电子

7、电子空穴对空穴对。把在光或热的作用下，本征把在光或热的作用下，本征半导体中产生电子半导体中产生电子空穴对空穴对的现象，叫本征激发。的现象，叫本征激发。 2022-5-37 在四价元素晶体中掺入微量的五价元素，由于这种杂质原子在四价元素晶体中掺入微量的五价元素，由于这种杂质原子能放出电子，因此称为能放出电子，因此称为“施主杂质施主杂质”。显然掺入的杂质越多，杂。显然掺入的杂质越多，杂质半导体的导电性能越好，这种掺杂所产生的自由电子浓度远大质半导体的导电性能越好，这种掺杂所产生的自由电子浓度远大于本征激发所产生的电子于本征激发所产生的电子空穴对的浓度，所以杂质半导体的导空穴对的浓度，所以杂质半导体

8、的导电性能远超过本征半导体。电性能远超过本征半导体。 在四价晶体中掺入微量的三价元素，三价原子在与四价原在四价晶体中掺入微量的三价元素，三价原子在与四价原子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空穴。由于这种子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空穴。由于这种杂质原子能吸收电子，因此称为杂质原子能吸收电子，因此称为“受主杂质受主杂质”。在这种杂质半。在这种杂质半导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电子为少子。因为这种半导体的导电主要依靠空穴，而空穴带正子为少子。因为这种半导体的导电主要依靠空穴，而空穴带正电荷，所以称其为电

9、荷，所以称其为P P型半导体型半导体（P-type semiconductor）或空穴型或空穴型半导体。半导体。 2022-5-38需要指出的是：需要指出的是： 不论是不论是N型还是型还是P型半导体型半导体，虽然都有一种载流子占多数，虽然都有一种载流子占多数，但多出的载流子数目与杂质离子所带的电荷数目始终相平衡，即但多出的载流子数目与杂质离子所带的电荷数目始终相平衡，即整块杂质半导体既没有失去电子，也没有得到电子，整个晶体仍整块杂质半导体既没有失去电子，也没有得到电子，整个晶体仍然呈中性。然呈中性。 为突出杂质半导体的主要特征，在画为突出杂质半导体的主要特征，在画P型或型或N型型半导体时，半导

10、体时，常常只画多子和离子成对出现，如图常常只画多子和离子成对出现，如图2-4所示。所示。 一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数载流子数量的数载流子数量的10001000倍或更多，因此，杂质半导体的导电能力倍或更多，因此，杂质半导体的导电能力比本征半导体的导电能力将强上几十万倍。比本征半导体的导电能力将强上几十万倍。2022-5-39 半导体中有电子和空穴这两种载流子，当这些载流子作定向半导体中有电子和空穴这两种载流子，当这些载流子作定向运动时就形成电流。半导体中的载流子运动有漂移运动和扩散运运动时就形成电流。半导体中的载流子运动

11、有漂移运动和扩散运动两种方式，相应地也就有漂移电流和扩散电流这两种电流。动两种方式，相应地也就有漂移电流和扩散电流这两种电流。 2022-5-310 若在若在PN结两端接上外加电源，也就是结两端接上外加电源，也就是PN结被偏置了。由于偏结被偏置了。由于偏置电压的作用，动态平衡遭到破坏。置电压的作用，动态平衡遭到破坏。PN结将显示出其单向导电的结将显示出其单向导电的性能，性能，PN结的单向导电性，是构成半导体器件的主要工作机理。结的单向导电性，是构成半导体器件的主要工作机理。 此时，外部电场的方此时，外部电场的方向是从向是从P区指向区指向N区，显然与内电场的区，显然与内电场的方向相反，结果使空间

12、电荷区变窄，方向相反，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱。内电场的削弱使多数内电场被削弱。内电场的削弱使多数载流子的扩散运动得以增强，形成较载流子的扩散运动得以增强，形成较大的扩散电流（有多子的定向移动形大的扩散电流（有多子的定向移动形成，即所谓常称的电流）。在一定范成，即所谓常称的电流）。在一定范围内，外电场越强，正向电流越大，围内，外电场越强，正向电流越大，PN结对正向电流呈低电阻状态，这种结对正向电流呈低电阻状态，这种情况就称为情况就称为PN结正向导通。结正向导通。PN结的结的正向导通作用原理图如图正向导通作用原理图如图2-6所示。所示。 2022-5-311 2022-5-312 20

13、22-5-313 2022-5-314 2022-5-315 2022-5-316 2022-5-317 4）最高工作频率）最高工作频率 Mf5）二极管使用注意事项）二极管使用注意事项 1）直流电阻）直流电阻DDDIURDRQDR 2022-5-3192）交流电阻（动态电阻）交流电阻（动态电阻） drtgIUr1ddrQdrIIUgrmV261TddK300T 图2-12 理想模型 a)U-I 特性 b)、c)符号及等效模型2022-5-321 图2-13 小信号模型 a)U-I 特性 b)电路符号2022-5-322图2-14 小信号模型 2022-5-323 V6S1UV3140sin2

14、. 0s2tu k1SR图2-172022-5-324 0s2uDImA3 . 5k1V)7 . 06(SFS1DRUUI 9 . 45.3mAmV26mV26DdIr 0S1UdimA3140sin2 . 0k)109 . 41 (V3140sin2 . 03dDs2dttrRuimA)3124sin2 . 03 . 5(dDDtiIi2022-5-325 0s2uDImA3 . 5k1V)7 . 06(SFS1DRUUI 9 . 45.3mAmV26mV26DdIr 0S1UdimA 3140sin2 . 0k)109 . 41 (V3140sin2 . 03dDs2dttrRuimA)3

15、140sin2 . 03 . 5(dDDtiIi2022-5-326 ZUZmaxI2022-5-327 ZmaxI ZI ZUZmP Zr ZU2022-5-328 2022-5-329 2022-5-3302022-5-331 2022-5-332 tUu sin222 2u)0( sin222OttUuu 2u )2( sin222VDttUuu2022-5-333 L2LOO45. 0RURUI202202O222)(sin221)(21UttdUtduU2022-5-334DILIODFIII2RM2UU 2022-5-335 2u2uD1iLRD2iLR 2022-5-33622O

16、9 . 022UUUL2O9 . 0RUI DILILD2D1F21IIII 22UUUU22DMRM 2022-5-338 2uLRLR2u 2022-5-339 22O9 . 022UUUL2D45. 0RUI2u2DRM2UU OF21II 2RM2UU2022-5-340 2022-5-3412O45. 0UUL2LOO45. 0RURUIODFIII2RM2UU2022-5-342 2O9 . 0 UUL2LOO9 . 0RURUI2/ODFIII2RM22UU2022-5-3432O9 . 0 UUL2LOO9 . 0RURUI2/ODFIII2RM2UU 697页 泛读应用二：自动感应节能灯电路应用二：自动感应节能灯电路自动感应节能灯电路 2022-5-349直流分量的幅值负载上最低次谐波分量S 直流分量效值负载上交流分量的总有 2022-5-350 2022-5-351 LROU为使滤波效果良好，一般取时间常数的值大一些，通常选取为使滤波效果良好，一般取时间常数的值大一些，通常选取2/)53(LTCR 考虑电网电压的波动，电容考虑电网电压的波动，电容C C的耐压值可选为的耐压值可选为（1.51.52 2）U22O(AV)0 . 1 UU2O(AV)2 . 1