chapter15二极管

1、半导体二极管半导体二极管返回返回 武汉工程大学武汉工程大学电工教研室电工教研室目目 录录15.1 15.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体：半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的间的 物质。物质。 常用的半导体材料有常用的半导体材料有硅硅Si和和锗锗Ge。半导体特性：半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性其导电能力会随着温度、光照的变化或其导电能力会随着温度、光照的变化或摻摻入杂质的多少入杂质的多少发生显著变化。发生显著变化。 本征半导体就是完全纯净的半导体。本征半导体就是完全纯净的半导体。 应用最多的本征半应用最多的本征半

2、导体为锗和硅，它们导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都各有四个价电子，都是四价元素是四价元素.硅的原子结构硅的原子结构 纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来 本征半导体晶体结构中的共价健结构本征半导体晶体结构中的共价健结构15.1.115.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi共价键共价键价电子价电子15.1.1 15.1.1 本征半导体本征半导体 共价键中的电子共价键中的电子在获得一定能量在获得一定能量后，即可挣脱原后，即可挣脱原子核的束缚，成子核的束缚，成为自由电子为自由电子同时在共价键中同时在共价键中留下一个空穴。留下一个空穴

3、。空穴空穴SiSiSiSi自由自由电子电子热激发与复合现象热激发与复合现象 由于受热或光照由于受热或光照产生自由电子和产生自由电子和空穴的现象空穴的现象- 热激发热激发15.1.1 15.1.1 本征半导体本征半导体 自由电子自由电子在运动中遇在运动中遇到空穴后，到空穴后，两者同时消两者同时消失，称为复失，称为复合现象合现象 温度一定时，本温度一定时，本征半导体中的自由征半导体中的自由电子电子空穴对的数空穴对的数目基本不变。温度目基本不变。温度愈高，自由电子愈高，自由电子空穴对数目越多空穴对数目越多。SiSiSiSi自由电子空穴半导体导电方式半导体导电方式 在半导体中，在半导体中，同时存在着电

4、子同时存在着电子导电和空穴导电，导电和空穴导电，这是半导体导电这是半导体导电方式的最大特点，方式的最大特点，也是半导体和金也是半导体和金属在导电原理上属在导电原理上的本质差别。的本质差别。载流子载流子自由电子和空穴自由电子和空穴 因为，温度愈因为，温度愈高，载流子数目愈高，载流子数目愈多，导电性能也就多，导电性能也就愈好，所以，温度愈好，所以，温度对半导体器件性能对半导体器件性能的影响很大。的影响很大。15.1.1 15.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi价电子空穴 当半导体两端当半导体两端加上外电压时，自加上外电压时，自由电子作定向运动由电子作定向运动形成电子电流；而形成电子电流；

5、而空穴的运动相当于空穴的运动相当于正电荷的运动正电荷的运动15.1.2 N15.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或掺入微量的磷（或其它五价元素）。其它五价元素）。 自由电子是多数自由电子是多数载流子，空穴是载流子，空穴是少数载流子。少数载流子。 电子型半导体电子型半导体或或N N型半导体型半导体SiSiP+Si多余电子15.1.2 N15.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体P P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入硼（或其它掺入硼（或其它三价元素）。三价元素）。 空穴是多数载流子

6、，空穴是多数载流子，自由电子是少数载自由电子是少数载流子。流子。 空穴型半导体空穴型半导体或或P P型半导体。型半导体。SiSiB-Si空穴15.1.2 N15.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是但是整个晶体仍然是不带电不带电的的。返回 15.2 15.2 PNPN结结15.2.1 15.2.1 PNPN结的形成结的形成 当把一块当把一块P型半导体和型半导体和N型半导体用特殊工艺紧密结合时，型半导体用特殊工艺紧密结合时，在两者的交界面上会形成

7、一个具有特殊性质的薄层称为在两者的交界面上会形成一个具有特殊性质的薄层称为PN结结。 自由电子PN空穴PN结是由扩散运动和漂移运动的动态平衡形成的结是由扩散运动和漂移运动的动态平衡形成的15.2.115.2.1 PN结的形成结的形成自由电子PN 空间电荷区内电场方向空穴15.2.1 15.2.1 PNPN结的形成结的形成扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强扩散强漂移运动增强漂移运动增强内电场增强内电场增强两者平衡两者平衡PNPN结宽度基本稳定结宽度基本稳定外加外加电压电压平衡平衡破坏破坏扩散强扩散强漂移强漂移强PNPN结导通结导通PNPN结截止结截止15.2.2 PN

8、结的单向导电性1 外加正向电压使PN结导通PNPN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的电流结的电流基本是多子的扩散电流基本是多子的扩散电流正向电流正向电流+变窄PN内电场 方向外电场方向RI15.2.2 PN结的单向导电性2 外加反向电压使PN结截止 PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电流结的电流是少子的漂移电流 -反向电流反向电流特点特点: : 受温度影响大受温度影响大原因原因: : 反向电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的+ - 变 宽PN内电场 方向外电场方向RI=0结结 论论 PN结具有单向导

9、电性结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。反向电流很小。返回15.3 15.3 半导体二极管半导体二极管15.3.1 基本结构基本结构15.3.2 伏安特性伏安特性15.3.3 伏安特性的折线化伏安特性的折线化15.3.4 二极管的主要参数二极管的主要参数15.3.1 基本结构PN结阴极引线铝合金小球金锑合金底座N型硅阳极引线面接触型面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型点接触型表示符号

10、表示符号15.3.2 15.3.2 伏安特性伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压 半导体二极半导体二极管的伏安特性管的伏安特性是是非线性非线性的。的。正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压 死区电压：死区电压： 硅管：硅管：0.5伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.1伏左右。伏左右。 正向压降：正向压降： 硅管：硅管：0.7伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。伏。15.3.2 15.3.2 伏安特性伏安特性1 正向特性正向特性反向电流反向电

11、流：反向饱和电流：反向饱和电流：反向击穿电压反向击穿电压U（BR）15.3.2 15.3.2 伏安特性伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压2 反向特性反向特性15.3.4 伏安特性的折线化U0U0US15.3.4 15.3.4 主要参数主要参数1 最大整流电流最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。2 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3 反向峰值电流

12、反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。15.3.5 15.3.5 应用举例应用举例 主要利用二极管的单向导电性。可用于主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限整流、检波、限幅、元件保护幅、元件保护以及在数字电路中作为以及在数字电路中作为开关元件开关元件。 例例1: 图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接负电源接负电源-12V。VY=+2.7V解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通后，导通后， DB上加的是反向电压，上

13、加的是反向电压，因而截止。因而截止。DA起钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回二极管的应用举例二极管的应用举例2：二极管半波整流二极管半波整流: : 1.3.1 单相桥式整流滤波电路单相桥式整流滤波电路一、单相桥式整流一、单相桥式整流D3RLD4D2D1u1u2+uo ioRLD4D3D2D1+uo u2u1输入正半周输入正半周1. 1. 工作原理工作原理输入负半周输入负半周+uo tO tO tO tO 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uOu2uDiD= iO22U22UU215.4 15.4 稳压管稳压管 一种特殊的面接触型半导体硅

14、二极管。它在电路中一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。 1 1 稳压管表示符号稳压管表示符号： 正向+-反向+-IZUZ2 2 稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性：3 稳压管稳压原理：稳压管稳压原理： 稳压管工作于反向稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。稳压管的反

15、向特性曲线比较陡。反向击穿 是可逆的。 U/VI/mA0IZIZMUZ 稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管在电路中能起稳压作用。15.4 15.4 稳压管稳压管4 主要参数主要参数（2）电压温度系数）电压温度系数 U（1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数说明稳压管受温度变化影响的系数15.4 15.4 稳压管稳压管（3）动态电阻）动态电阻（4 4）稳定电流）稳定电流（5 5）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率 rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZ

16、PZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM 二极管的种类根据用途分类二极管的种类根据用途分类 1、检波用二极管、检波用二极管 就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小（的大小（100mA）作为界线通常把输出电流小于）作为界线通常把输出电流小于100mA的叫检波。锗材料点接触的叫检波。锗材料点接触型、工作频率可达型、工作频率可达400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，为为2AP型。类似点触型那样检波用的二极

17、管，除用于检波外，还能够用于限幅、型。类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二削波、调制、混频、开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。极管组合件。 2、整流用二极管、整流用二极管 就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整流。以整流电流的大小（流。以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流大于）作为界线通常把输出电流大于100mA的叫整流。的叫整流。面结型，工作频率小于面结型，工作频率小于KHz，最高反向电压从，最高反向电压从2

18、5伏至伏至3000伏分伏分AX共共22档。分类档。分类如下：如下：硅半导体整流二极管硅半导体整流二极管2CZ型、型、硅桥式整流器硅桥式整流器QL型、型、用于电视机高压用于电视机高压硅堆工作频率近硅堆工作频率近100KHz的的2CLG型。型。 3、限幅用二极管、限幅用二极管 大多数二极管能作为限幅大多数二极管能作为限幅使用。也有象保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。为了使这些二极使用。也有象保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用，通常使用硅材料制造的二极管。也有这样管具有特别强的限制尖锐振幅的作用，通常使用硅材料制造的二极管。也有这样的

19、组件出售：依据限制电压需要，把若干个必要的整流二极管串联起来形成一个的组件出售：依据限制电压需要，把若干个必要的整流二极管串联起来形成一个整体。整体。 4、调制用二极管、调制用二极管 通常指的是环形调制专用的二极管。就是正向特性一致通常指的是环形调制专用的二极管。就是正向特性一致性好的四个二极管的组合件。即使其它变容二极管也有调制用途，但它们通常是性好的四个二极管的组合件。即使其它变容二极管也有调制用途，但它们通常是直接作为调频用。直接作为调频用。 5、混频用二极管、混频用二极管 使用二极管混频方式时，在使用二极管混频方式时，在50010,000Hz的的频率范围内，多采用肖特基型和点接触型二极

20、管。频率范围内，多采用肖特基型和点接触型二极管。 6、放大用二极管、放大用二极管 用二极管放用二极管放大，大致有依靠隧道二极管和体效应二极管那样的负阻性器件的放大，以及用变大，大致有依靠隧道二极管和体效应二极管那样的负阻性器件的放大，以及用变容二极管的参量放大。因此，放大用二极管通常是指隧道二极管、体效应二极管容二极管的参量放大。因此，放大用二极管通常是指隧道二极管、体效应二极管和变容二极管。和变容二极管。 7、开关用二极管、开关用二极管 有在小电流下（有在小电流下（10mA程度）使用的逻辑运算程度）使用的逻辑运算和在数百毫安下使用的磁芯激励用开关二极管。小电流的开关二极管通常有点接和在数百毫

21、安下使用的磁芯激励用开关二极管。小电流的开关二极管通常有点接触型和键型等二极管，也有在高温下还可能工作的硅扩散型、台面型和平面型二触型和键型等二极管，也有在高温下还可能工作的硅扩散型、台面型和平面型二极管。开关二极管的特长是开关速度快。而肖特基型二极管的开关时间特短，因极管。开关二极管的特长是开关速度快。而肖特基型二极管的开关时间特短，因而是理想的开关二极管。而是理想的开关二极管。2AK型点接触为中速开关电路用；型点接触为中速开关电路用；2CK型平面接触为高型平面接触为高速开关电路用；用于开关、限幅、钳位或检波等电路；肖特基（速开关电路用；用于开关、限幅、钳位或检波等电路；肖特基（SBD）硅大

22、电流）硅大电流开关，正向压降小，速度快、效率高。开关，正向压降小，速度快、效率高。8、变容二极管、变容二极管 用于自动频率控制（用于自动频率控制（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压，管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压， 使其使其PN结的静电容结的静电容量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双常，虽然是采用硅的扩散型二极管，

23、但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压化率特别大。结电容随反向电压VR变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。 9、频率倍增用二极管、频率倍增用二极管 对二极管的频率倍增作用而言，有依靠变容二极管的频率对二极管的频率倍增作用而言，有依靠变容二极管的频率

24、倍增和依靠阶跃（即急变）二极管的频率倍增。频率倍增用的变容二极管称为可倍增和依靠阶跃（即急变）二极管的频率倍增。频率倍增用的变容二极管称为可变电抗器，可变电抗器虽然和自动频率控制用的变容二极管的工作原理相同，但变电抗器，可变电抗器虽然和自动频率控制用的变容二极管的工作原理相同，但电抗器的构造却能承受大功率。阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管，从导通切电抗器的构造却能承受大功率。阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管，从导通切换到关闭时的反向恢复时间换到关闭时的反向恢复时间trr短，因此，其特长是急速地变成关闭的转移时间显短，因此，其特长是急速地变成关闭的转移时间显著地短。如果对阶跃二极管施加正弦波，那

25、么，因著地短。如果对阶跃二极管施加正弦波，那么，因tt（转移时间）短，所以输出（转移时间）短，所以输出波形急骤地被夹断，故能产生很多高频谐波。波形急骤地被夹断，故能产生很多高频谐波。 10、稳压二极管、稳压二极管 是代替稳压电子是代替稳压电子二极管的产品。被制作成为硅的扩散型或合金型。是反向击穿特性曲线急骤变化二极管的产品。被制作成为硅的扩散型或合金型。是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管。作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管工作时的端电压（又的二极管。作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管工作时的端电压（又称齐纳电压）从称齐纳电压）从3V左右到左右到150V，按每隔，按每隔10%，能

26、划分成许多等级。在功率方面，能划分成许多等级。在功率方面，也有从也有从200mW至至100W以上的产品。工作在反向击穿状态，硅材料制作，动态电以上的产品。工作在反向击穿状态，硅材料制作，动态电阻阻RZ很小，一般为很小，一般为2CW型；将两个互补二极管反向串接以减少温度系数则为型；将两个互补二极管反向串接以减少温度系数则为2DW型。型。 11、PIN型二极管（型二极管（PIN Diode） 这是在这是在P区和区和N区之间夹一层本征半导区之间夹一层本征半导体（或低浓度杂质的半导体）构造的晶体二极管。体（或低浓度杂质的半导体）构造的晶体二极管。PIN中的中的I是是本征本征意义的英文意义的英文略语。当

27、其工作频率超过略语。当其工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存贮效应和时，由于少数载流子的存贮效应和本征本征层中层中的渡越时间效应，其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏的渡越时间效应，其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，本征本征区的阻抗很高；在直流正向区的阻抗很高；在直流正向偏置时，由于载流子注入偏置时，由于载流子注入本征本征区，而使区，而使本征本征区呈现出低阻抗状态。因此，可区呈现出低阻抗状态。因此，可以把以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微

28、波开关）、二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微波开关）、移相、调制、限幅等电路中。移相、调制、限幅等电路中。 12、 雪崩二极管雪崩二极管 (Avalanche Diode) 它是在外加电它是在外加电压作用下可以产生高频振荡的晶体管。产生高频振荡的工作原理是栾的：利用雪压作用下可以产生高频振荡的晶体管。产生高频振荡的工作原理是栾的：利用雪崩击穿对晶体注入载流子，因载流子渡越晶片需要一定的时间，所以其电流滞后崩击穿对晶体注入载流子，因载流子渡越晶片需要一定的时间，所以其电流滞后于电压，出现延迟时间，若适当地控制渡越时间，那么，在电流和电压关系上就于电压，出现延迟时间，若适当地控

29、制渡越时间，那么，在电流和电压关系上就会出现负阻效应，从而产生高频振荡。它常被应用于微波领域的振荡电路中。会出现负阻效应，从而产生高频振荡。它常被应用于微波领域的振荡电路中。13、江崎二极管、江崎二极管 （Tunnel Diode） 它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。其基底材料是砷化镓和锗。其极管。其基底材料是砷化镓和锗。其P型区的型区的N型区是高掺杂的（即高浓度杂质型区是高掺杂的（即高浓度杂质的）。隧道电流由这些简并态半导体的量子力学效应所产生。发生隧道效应具备的）。隧道电流由这些简并态半导体的量子力学效应所产生。发生隧道效应具备如下三个条

30、件：如下三个条件：费米能级位于导带和满带内；费米能级位于导带和满带内；空间电荷层宽度必须很窄空间电荷层宽度必须很窄（0.01微米以下）；简并半导体微米以下）；简并半导体P型区和型区和N型区中的空穴和电子在同一能级上有交型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。江崎二极管为双端子有源器件。其主要参数有峰谷电流比（叠的可能性。江崎二极管为双端子有源器件。其主要参数有峰谷电流比（IPPV），其中，下标），其中，下标P代表代表峰峰；而下标；而下标V代表代表谷谷。江崎二极管可以被应用。江崎二极管可以被应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中（其工作频率可达毫米波段），也可以被应于低噪声高频放大器及高频振

31、荡器中（其工作频率可达毫米波段），也可以被应用于高速开关电路中。用于高速开关电路中。 14、快速关断（阶跃恢复）二极管、快速关断（阶跃恢复）二极管 (Step Recovary Diode) 它也是一种具有它也是一种具有PN结的二极管。其结构上的特点是：在结的二极管。其结构上的特点是：在PN结边界处具有陡峭的结边界处具有陡峭的杂质分布区，从而形成杂质分布区，从而形成自助电场自助电场。由于。由于PN结在正向偏压下，以少数载流子导电，结在正向偏压下，以少数载流子导电，并在并在PN结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个存贮时间存贮时间后才能后才能降至最小值（反向饱和电流值）。阶跃恢复二极管的降至最小值（反向饱和电流值）。阶跃恢复二极管的自助电场自助电场缩短了存贮时间，缩短了存贮时间，使反向电流快速截止，并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状使反向电流快速截止，并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断（阶跃恢复）二极管用于脉冲和高次谐波电路中。频谱发