第二章 晶体二极管

1、第一章 晶体二极管及应用电路 一 半导体基础知识 二 晶体二极管一、半导体的特性：一、半导体的特性：1.1.什么是导体、绝缘体、半导体：什么是导体、绝缘体、半导体：(1).(1).导体：导电性能良好的物质。导体：导电性能良好的物质。(3).(3).半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。第一节 半导体基础知识2.2.半导体的特性：半导体的特性：(1).(1).掺杂特性。掺杂特性。( (掺入杂质则导电率激增掺入杂质则导电率激增) )(2).(2).热敏特性。热敏特性。( (温增则导电率显增温增则导电率显增) )(3).(3).光敏特性。光敏特性。( (光照可增

2、加导电率光照可增加导电率、产生电动势产生电动势) )导电率为导电率为10105 5s.cms.cm-1-1量级，如：金、量级，如：金、银、铜、铝。银、铜、铝。(2).(2).绝缘体：几乎不导电的物质。绝缘体：几乎不导电的物质。导电率导电率1010-22-22-10-10-14 -14 s.cms.cm-1-1量级，如：橡胶、云母、量级，如：橡胶、云母、塑料等。塑料等。导电率为导电率为1010-9-9-10-102 2 s.cms.cm-1-1量级，如：硅、锗、量级，如：硅、锗、砷化镓等。砷化镓等。二、本征半导体：( (一一) )硅和锗晶体的共价健结构硅和锗晶体的共价健结构1.1.硅和锗均为硅和

3、锗均为4 4价元素。价元素。2.2.晶体中晶格决定原子间按一晶体中晶格决定原子间按一定规律排列得紧密。（四面定规律排列得紧密。（四面体结构）体结构）3.3.外层电子成为共价键。外层电子成为共价键。本征半导体本征半导体：完全：完全纯净纯净、结构结构完整完整的半导体的半导体晶体晶体。（二）两种载流子电子和空穴T=300K T=300K 时时: : 少数价电子获得能量少数价电子获得能量, ,从价带到从价带到导带导带自由电子自由电子，( (本征激发本征激发) )自由电子自由电子导带导带禁带禁带Eg价带价带空穴空穴载流子的能带图载流子的能带图动画一 T=0KT=0K 时时: :价电子被束缚在价带内，晶体

4、价电子被束缚在价带内，晶体中无中无自由电子自由电子. .1.1.电子空穴对：电子空穴对：电子和空穴是成对产生的电子和空穴是成对产生的. .价电子价电子在原位置留下空位在原位置留下空位空穴空穴。两种载流子电子和空穴2.2.自由电子自由电子载流子：载流子： 在外电场作用下形成电子流（在在外电场作用下形成电子流（在导带内运动），导带内运动）， 方向与电场方向相反。方向与电场方向相反。外电场外电场E的方向的方向电子流电子流空穴流空穴流E载流子的能带图载流子的能带图3.3.空穴空穴载流子：载流子：在外电场作用下形成空穴流（在价在外电场作用下形成空穴流（在价带内运动），带内运动），方向与电场方向相同方向与

5、电场方向相同4.4.漂移运动：漂移运动：载流子载流子在电场作用下的定向运动。在电场作用下的定向运动。导带导带禁带禁带价带价带动画二自由电子自由电子空穴空穴（三）载流子的浓度 A A0 0与材料有关的常数。与材料有关的常数。 E EG0G0禁带宽度。禁带宽度。 TT绝对温度。绝对温度。 KK玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数。 n ni i、 p pi i 与温度与温度T T和禁带宽度和禁带宽度E EGOGO有关。有关。本征半导体本征半导体中电子的浓度中电子的浓度p(p(空穴浓度空穴浓度):):表示单位体积的空穴数。表示单位体积的空穴数。 (p(pi i) )n(n(电子浓度电子浓度):):表示单位体积

6、的自由电子数。（表示单位体积的自由电子数。（n ni i）)2/(2/30kTEiiOGeTApn(1-1) (1-1) 本征半导体本征半导体中空穴的浓度中空穴的浓度当材料一定时：当材料一定时：载流子的浓度主要取决于温度；载流子的浓度主要取决于温度；温度增加使导电能力激增。温度增加使导电能力激增。温度可人为控制温度可人为控制 。kTGEieTAn2/2/300+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键(四)载流子的产生与复合空穴空穴自由电子自由电子空穴空穴A A、本征激发、本征激发 电子、空穴对的产生电子、空穴对的产生B B、电子与空穴的复合、电子与空穴的复合D D、最后达到动态的平衡、

7、最后达到动态的平衡C C、空穴是可以移动的，其、空穴是可以移动的，其实是共价键的电子依次填补实是共价键的电子依次填补空穴，形成空穴的移动空穴，形成空穴的移动(四)载流子的产生与复合 n ni i（电子浓度）：是动态平衡值。（电子浓度）：是动态平衡值。 g(g(载流子的产生率载流子的产生率):):每秒成对产生的电子空每秒成对产生的电子空穴的浓度。穴的浓度。 R(R(载流子的复合率载流子的复合率) )：每秒复合的载流子的：每秒复合的载流子的浓度。浓度。 当当g=Rg=R时时( (平衡时平衡时) )： R=rnR=rni ip pi i (1-2)(1-2) 其中其中r r是和材料有关的系数是和材料

8、有关的系数三、杂质半导体3.3.在在N N型半导体中：型半导体中： 自由电子自由电子为多数载流子为多数载流子 空穴空穴为少数载流子为少数载流子（一）（一）N N型半导体型半导体1.1.在四价元素中掺入五价元素磷，在四价元素中掺入五价元素磷，五价五价元素与周围四个原子形成共价元素与周围四个原子形成共价键，余下一个电子成为键，余下一个电子成为自由电子自由电子。2.2.磷原子贡献一个电子（在电场磷原子贡献一个电子（在电场作用下成为自由电子）作用下成为自由电子）施主杂质施主杂质（正离子）（正离子）杂质半导体3.3.在在P P型半导体中：型半导体中： 空穴空穴为多数载流子为多数载流子 自由电子自由电子为

9、少数载流子为少数载流子（二）（二）P P型半导体型半导体1.1.在四价元素中掺入三价元素硼：在四价元素中掺入三价元素硼：三价元素与周围四个原子形成共价三价元素与周围四个原子形成共价键，因缺少一个电子形成键，因缺少一个电子形成“空穴空穴。2.2.硼原子在电场作用下接受一个硼原子在电场作用下接受一个电子电子受主杂质受主杂质（负离子）（负离子） 在杂质半导体中，尽管杂质含量很少，但提供的载流子以在杂质半导体中，尽管杂质含量很少，但提供的载流子以数量计算仍远大于本征半导体中载流子的数量。数量计算仍远大于本征半导体中载流子的数量。例如：例如：T=300k时，锗本征半导时，锗本征半导ni=2.51013/

10、cm3,锗原子密度为锗原子密度为4.41022/cm3,若掺入砷原子是锗原子密度的万分之一。若掺入砷原子是锗原子密度的万分之一。 则施主杂质浓度为：则施主杂质浓度为： ND=10-44.41022=4.41018/cm3 （比（比ni大十万倍）大十万倍）（三）、杂质半导体的载流子浓度在杂质型半导体中：在杂质型半导体中：多子浓度比本征半导体的浓度大得多；多子浓度比本征半导体的浓度大得多；载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导电能力激增导电能力激增 。结结 论论半导体的热敏性半导体的热敏性；半导体的半导体的光敏性特性；光敏性特性；半导体的半导体的掺杂

11、特性；掺杂特性；是可人为控制的。是可人为控制的。结论结论为什么采用半导体材料作电子器件？空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？第二节第二节 PN 结与晶体二极管结与晶体二极管(1).(1).两种半导体结合后，由于浓度差产两种半导体结合后，由于浓度差产生载流子的生载流子的扩散运动扩散运动 结果产生空结果产生空间电荷区间电荷区耗尽层（多子运动）。耗尽层（多子运动）。PN载流子要从浓度大载流子要从浓度大区域向浓度小的区域区域向浓度小的区域扩散扩散,称载流子的扩散称载流子的扩散的运动的运动(2).(2).空间电荷区产生空间电荷区产生建立了内电场建立了内电场产生载流子定向运动（产生载流子定向运动（漂

12、移运动漂移运动）(3).(3).扩散运动产生扩散电流；漂移运动扩散运动产生扩散电流；漂移运动产生漂移电流。产生漂移电流。动态平衡时：动态平衡时：扩散电流扩散电流= =漂移电流。漂移电流。 PNPN结内总电流结内总电流=0=0。 PNPN结的宽度一定结的宽度一定 。把载流子在电场作把载流子在电场作用下的定向移动称用下的定向移动称为漂移运动为漂移运动动画三一一.PN.PN结的基本原理结的基本原理：（一）（一）.PN.PN结的形成：结的形成：当扩散运动当扩散运动内电场内电场漂移运漂移运动动扩散运动扩散运动动态平衡。动态平衡。自由电子自由电子空穴空穴PN(2).(2).接触电位接触电位 V V 决定于

13、材决定于材料及掺杂浓度：料及掺杂浓度：硅：硅： V V =0.7=0.7锗：锗： V V =0.2=0.2PNPN结的接触电位结的接触电位V V ( (二二)PN)PN结的接触电位：结的接触电位：(1).(1).内电场的建立，使内电场的建立，使PNPN结结中产生电位差。从而形成接中产生电位差。从而形成接触电位触电位V V ( (又称为位垒又称为位垒) )。(3).(3).其电位差用其电位差用 表示表示(1).U(1).Uq(Vq(V -U)-U)位垒高度位垒高度 耗尽层变薄耗尽层变薄扩散运动扩散运动( (多子多子) ) 扩散电流扩散电流1.PN1.PN结加正向电压时：结加正向电压时： ( 内电

14、场内电场)与与U方向相反方向相反PNQ(V -U)扩散扩散U动画四（三）（三）PNPN结的单向导电性结的单向导电性(2).(2).位垒高度位垒高度 漂移运动漂移运动（少子）（少子） 漂移电流漂移电流(3).(3).正向电流决定于正向电流决定于扩散电流扩散电流。此时此时PNPN结导通。结导通。I漂移漂移(1).U(1).Uq(Vq(V +U)+U)位垒高度位垒高度 耗尽层变厚耗尽层变厚扩散运动扩散运动( (多子多子) ) 扩散电流扩散电流2.PN2.PN结加反向电压时：结加反向电压时： ( 内电场内电场)与与U方向相同方向相同PNQ(V +U)扩散扩散U动画五(2).(2).位垒高度位垒高度 漂

15、移运动漂移运动（少子）（少子） 漂移电流漂移电流(3).(3).反向电流决定于反向电流决定于漂移电流漂移电流此时此时PNPN结截止。结截止。I漂移漂移I Is s 饱和电流饱和电流; ; U UT T=kT/q =kT/q 为温度电压当量。为温度电压当量。k k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； ( (T T=300k;=300k;时时 U UT T=26mv)=26mv)二二.PN.PN结的电流方程：结的电流方程：由半导体物理可推出：由半导体物理可推出：当加正向电压时：当加正向电压时：当加反向电压时：当加反向电压时： I I -I-Is s) 1(/TUUseII)( ;/TUUsUUeIITI

16、UIs播放动画（1，2，3，4，5）1. 晶体晶体二极管的结构类型二极管的结构类型: :在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管结上加上引线和封装，就成为一个二极管二极管按结构分二极管按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路可用于集成电路制造工艺中。可用于集成电路制造工艺中。PN 结面积结面积可大可小可大可小，常用于，常用于高频整流和开关电路中。高频整流和开关电路中。2. 晶体晶体二极管的理想伏安特性：二极管的理想伏安特

17、性：是指二极管两是指二极管两端电压端电压和流过二极管和流过二极管电流电流之间的关系。之间的关系。由由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线结电流方程求出理想的伏安特性曲线IU1.1.当加正向电压时当加正向电压时PN结电流方程为：结电流方程为：1)(eIITUUS2.2.当加反向电压时当加反向电压时TUUSeII I 随随U，呈指数规率，呈指数规率I = - Is 基本不变基本不变1.1.正向起始部分存在一个死正向起始部分存在一个死区或门坎，称为区或门坎，称为门限电压门限电压。 硅：硅：Ur=0.5-0.7v; Ur=0.5-0.7v; 锗：锗：Ur=0.1-0.2vUr=0.1-0.2v2.2.

18、加反向电压时相同温度下：加反向电压时相同温度下： Is硅硅(nA,10-9) IZmin. IZmin约为几mA以上 (4)动态电阻 rz 动态电阻是反映稳压二极管稳压性能好坏的重要参数，rz越小，反向击穿区曲线越陡，稳压效果就越好。ZZZIUr( (一一).).势垒电容势垒电容CT: : 把把PNPN结看成平板电容器，加正向电压或反向电压时像电容的结看成平板电容器，加正向电压或反向电压时像电容的充放电。（此电容效应为充放电。（此电容效应为势垒电容势垒电容） ( (二二).).扩散电容扩散电容CD: 扩散电容是由载流子在扩散过程中的积累引起的电容。扩散电容是由载流子在扩散过程中的积累引起的电容

19、。 ( (三三).). 变容二极管：变容二极管： 利用结势垒电容利用结势垒电容CT随外电压随外电压U的变化而变化的特点制成的二的变化而变化的特点制成的二极管。极管。六六. .晶体二极管的电容和变容二极管：晶体二极管的电容和变容二极管：符号符号第三节 光电二极管与发光二极管二二. .发光二极管：发光二极管：定义：当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光。定义：当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光。类型：发光的颜色有红，黄，绿，蓝，紫。类型：发光的颜色有红，黄，绿，蓝，紫。用途：主要用于显示。用途：主要用于显示。符号符号符号符号光电器件可分为两大类光电器件可分为两大类：1.1.光敏

20、器件：把光能转变成电能的器件。光敏器件：把光能转变成电能的器件。2.2.发光器件：光辐射器件，把电能转变成光能的器件发光器件：光辐射器件，把电能转变成光能的器件。一一. .光电二极管：光电二极管：定义：有光照射时，就有电流产生的二极管。定义：有光照射时，就有电流产生的二极管。类型：有类型：有PNPN结型，结型，PINPIN结型，雪崩型。结型，雪崩型。用途用途: :光电池（光电二极管其光电池（光电二极管其PNPN结工作在反偏置状态）结工作在反偏置状态）什么是N型半导体？什么是P型半导体？将两种半导体制作在一起时会产生什么现象？PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？为什么具有单向导电性？两种半导

21、体制作在一起时会产生电流吗？在PN结加反向电压时真没有电流吗？220Ve2iDuL一、一、 整流电路整流电路整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，（一）半波整流（一）半波整流:e2E2m+-iDuL整流电路中的二极管是作为整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。开关运用，具有单向导电性。220Ve2iDuL+-二极管的应用输入交流电压：输入交流电压：e e2 2=E=Em2m2sinsin t t 经整流；经整流；直流输出电压为：（平均值）直流输出电压为：（平均值）=E=Em2m2/ / =0.318E=0.318Em2 m2 0.45E

22、 0.45E2 2 E E2 2为为e e2 2的有效值的有效值)(sin2102ttdEUmdc优点：优点：电路简单电路简单缺点：缺点：输出直流输出直流电压低电压低220VuLioRLe2e2+-+220VuLioRLe2e2-+-+e2uL（二）全波整流（二）全波整流:输入交流电压：输入交流电压：e2=Em2sin t 经整流后，经整流后，为半波的两倍。为半波的两倍。Udc=2Udc(半半)=0.9E2E2为为e2的有效值的有效值优点：优点：输出电压高输出电压高缺点：缺点：变压器需要变压器需要抽头抽头220Ve2uL+-220Ve2uL+-e2uL（三）桥式整流（三）桥式整流:输入交流电压

23、：输入交流电压：e2=Em2sin t 经整流直流输出电压：经整流直流输出电压：U Udcdc=2U=2Udc(dc(半半) )=0.9E=0.9E2 2E E2 2为为e e2 2的有效值的有效值与全波整流相同：与全波整流相同：优点：优点：输出电压高，输出电压高，二极管承受的反压小。二极管承受的反压小。变压器不需要抽头。变压器不需要抽头。缺点：缺点：电路复杂电路复杂（五）电容滤波电路（五）电容滤波电路:1. 对直流信号对直流信号: C的容抗的容抗无穷无穷( (相当相当于开路于开路) ) 2. 对交流信号对交流信号: 依靠电容的充放电作依靠电容的充放电作用可减小纹波：用可减小纹波：当电压小于电

24、容两端电当电压小于电容两端电压时，电容向负载放电。压时，电容向负载放电。二二. . 限幅与箝位电路限幅与箝位电路1 1） 限幅电路限幅电路限幅电路顾名思义就是限制输出幅度的电路，通常用于有选限幅电路顾名思义就是限制输出幅度的电路，通常用于有选择的输出任意波形的一部分，或用来保护某些电路元件。择的输出任意波形的一部分，或用来保护某些电路元件。原理原理: :设设D D为理想二极管为理想二极管; ;当输入电压当输入电压u ui i U UR R时，时，D D导通，导通，u uo o= =U UR R, ,即输出波形即输出波形被限幅。被限幅。图图232 限幅电路分析限幅电路分析URD DRUiuouo

25、uiuR2） 箝位电路箝位电路箝位电路是指能把一个周期信号转变为单向的（只有正向或箝位电路是指能把一个周期信号转变为单向的（只有正向或只有负向）或叠加在某一直流电平上，而不改变它的波形的只有负向）或叠加在某一直流电平上，而不改变它的波形的电路。在箝位电路中，电容是不可缺少的元件电路。在箝位电路中，电容是不可缺少的元件 工作原理工作原理: :设设t=0时电容上的初始电压为零时电容上的初始电压为零;t=0+时，时，ui=Um,电容也被充上了大小为电容也被充上了大小为Um的电压，极性如图。的电压，极性如图。此刻此刻uo=0并且并且uo=0将一直保持到将一直保持到t=t1， uiDR+tuouiUm2

26、Umt1t2t2t1+-C此后，此后，ui突降到突降到Um,二极管截止，如果电阻和电容再足够大，二极管截止，如果电阻和电容再足够大，RC时间常数远大与输入信号周期时间常数远大与输入信号周期,则则C上的充电电压一直保持上的充电电压一直保持Um,于是输出电压为于是输出电压为uo=uiUm=2Um,并一直保持到并一直保持到t2;显然，输出信号总不会是正值，所以称为正箝位电路。显然，输出信号总不会是正值，所以称为正箝位电路。 三三. .稳压电路：稳压电路：1. 输入电压变化时输入电压变化时: UiUoIZIRURUo 2. 当负载变化时：当负载变化时： RLILUO(趋趋)IZIR(不不变变)UO(稳定稳定)三三.LED.LED显示器：显示器：1. 共阴极电路共阴极电路: 7只发光管的阴极接地，接高电只发光管的阴极接地，接高电位的段可发光。位的段可发光。共阳极电路共阳极电路共阴极电路共阴极电路abcg a+5vbcg2. 共阳极电路：共阳极电路： 7只发光管的阳极接正电源，接只发光管的阳极接正电源，接地的区段可发光。地的区段可发光。abcdfge四四