第17讲 半导体二极管

电工电子技术

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213738876电子技术基础篇半导体元器件是现代电子技术的重要组成部分，是构成各种电子电路的核心，常用的半导体元器件有二极管、晶体管、场效应管等。半导体元器件由半导体材料制成，因此，学习电子技术应首先了解半导体材料的特性，这将有助于对半导体元器件的学习、掌握和应用。

1.5半导体二极管1.5.0半导体的基本知识1导体、绝缘体和半导体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。2半导体材料的特性半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点：掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强1.5.1半导体的导电特性1.半导体的导电机理现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，其原子结构如下：电子原子核原子核电子

简化模形锗和硅都有４个价电子价电子惯性核+4

简化模形锗和硅都有４个价电子价电子+4惯性核

简化模形锗和硅都有４个价电子价电子惯性核+4

简化模形锗和硅都有４个价电子价电子惯性核+4纯净的硅、锗叫做本征半导体。它们在物理结构上呈单晶体形态。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健+4+4

+4+4+4表示除去价电子后的原子束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。

这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子（●）。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴(○)

。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。

可见本征激发同时产生电子空穴对。

与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对复合成对消失在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成电子电流。带正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，而在该原子的共价键中产生另一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以看成空穴顺着电场方向移动，形成空穴电流。可见在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。空穴移动方向

电子移动方向

外电场方向Si+4+4+4+4+4+4受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷（Positive）故命名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。杂质半导体中电子与空穴的数目就不再是相等了，将要出现电子数大于空穴数或空穴数大于电子数。把数目多的载流子称多数载流子，数目少的载流子称少数载流子。是自由电子为多数还是空穴为多数，取决于掺杂物质。少数载流子的浓度取决本征激发。而施主杂质因失去一个价电子成为正离子。而在这种半导体中载流子主要是自由电子，自由电子带负电荷（Negative），故命名为N型半导体。于是用这样的示意图表示。本征半导体中有载流子，但数量很少，故没有实用价值，须对本征半导体进行改造，以增加载流子的数量。其有效的措施是在四价元素中掺入微量三价或五价元素（杂质），这种掺杂后得到的半导体称杂质半导体。（人们常称的半导体，实际是指的杂质半导体，而不是本征半导体）由于掺入的杂质不同，杂质半导体分为N型和P型两大类。2.N型和P型半导体半导体掺杂+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+5受主杂质施主杂质N型P型

P型和N型半导体单独使用，仅起到电阻元件的作用，所以单个P型和N型半导体其使用价值仍然不大。实用中是通过工艺的手段把P型和N型半导体有机的结合起来，形成一个所谓的PN结，它是现代电子技术迅速发展的物质基础。它是构成各种电子器件的最基本的积木块。3.PN结及其单向导电特性（1）PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区(2)PN结的单向导电性1)PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN结变宽2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。此电流称反向饱和电流，用Is表示。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－1.伏安特性ui死区反向正向UBRURWMI0M导通区硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V锗0.1V硅0.5V正向特性：（3）PN结的伏安特性2.技术参数IS死区电压导通压降热击穿（破坏性）反向饱和电流Is反向特性：击穿电压U（BR）电击穿（可逆）反向击穿击穿区饱和区

根据理论分析：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q

称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10－23q为电子电荷量1.6×10－19T为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。当u>0u>>UT时当u<0|u|>>|UT

|时4.PN结的电容效应所谓电容，存储电荷的容器。电容效应则表现为，电容上的电压变化时，电容器存储电荷的增减，即电容器的充放电过程。结电容一般很小，只有当工作频率很高时才需要考虑。PN结是一个空间电荷区，相当于一个充电的平板电容器，当PN结偏置电压改变时，空间电荷也随之改变。因此，PN结有电容效应。此电容称为结电容，用Cj表示面接触型管子的特点是，PN结的结面积大，能通过较大电流，但结电容也大，适用于低频整流电路。半导体二极管半导体二极管是由一个PN结构成的二端元件。其端钮有确定的命名，即一端叫阳极a，一端叫阴极k。1.5.2半导体二极管1.基本结构及分类（1）点接触型二极管（2）面接触型二极管（3）平面型二极管点接触型管子的特点是，PN结的结面积小，因而结电容小，主要用于高频检波和开关电路。既不能通过较大电流，也不能承受高的反向电压。平面型管子的特点是，PN结的结面积大时，能通过较大电流，适用于大功率整流电路；结面积较小时，结电容较小，工作频率较高，适用于开关电路。kaVD按材料的不同，常用的二极管有硅管和锗管两种；按其用途二极管分为普通二极管和特殊二极管两大类：普通二极管整流、滤波、限幅、钳位、检波及开关等。特殊二极管变容二极管发光二极管光电二极管二极管稳压二极管稳压光电转换调谐ISuiUR二极管是一种非线性元件，其特性就是PN结的特性，而电流iD与两端的电压uD的关系近似为：2.二极管的伏安特性及参数普通二极管是应用PN结的饱和区、死区和导通区的特性制成的二端元件。（1）伏安关系（2）理想二极管IS—反向饱和电流；VT—温度的电压当量，当常温（T=300K）时，VT=26mV。在正常工作范围内，当电源电压远大于二极管正向导通压降时，可将二极管当作理想二极管处理，其伏安特性如图示。忽略正向导通压降和电阻，二极管相当短路；二极管反向截止时忽略反向饱和电流，反向电阻无穷大，二极管相当于开路。kaVD（3）二极管的主要参数1）最大整流电流IF

2）最高反向工作电压UR

3）最大反向电流IRM

IFIRMuiUR最大整流电流又称为额定正向平均电流，是指二极管长时间使用时，允许通过的最大正向平均电流。最大反向电流是指二极管加上最高反向工作电压时的反向电流值。最高反向工作电压是指保证二极管不被击穿所允许施加的最高反向电压。一般规定为1/2—2/3的反向击穿电压。UBR1.5.3稳压二极管（齐纳二极管）稳压二极管是应用PN结的击穿特性的二端元件。它在电路中与适当阻值的电阻配合能起稳定电压的作用。其电路符号为：1.稳压原理UZΔIZuikaVSΔUZ反向击穿后，电流在很大范围内变化，管子两端的电压变化很小，因此具有稳压特性。2.主要参数1）稳定电压Uz稳压管正常工作时管子两端的电压。手册中给出的数值范围是表示由于工艺和其它原因造成的分散性，如10～12V，对具体的管子为一确定值。IZmax2）电压温度系数αU3）动态电阻rZ稳压管电压的变化量与电流变化量的比值。4）稳定电流IZ和最大稳定电流IZmax稳压管的稳定电流值，与具体工作状态有关，而最大稳定电流是确定值。实际工作时不得超过IZmax。5）最大允许耗散功率PZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。PZM=UZIZmax稳压管稳压值受温度变化影响的系数。低于6V的稳压管，电压温度系数为负；高于6V的稳压管，电压温度系数为正；而6V左右的管子稳压值受温度变化影响的比较小。1.8半导体光电器件当前，在信号传输和存储的新技术是有效应用光信号，如光通信、计算机网络、声像演唱机用的CD或VCD，计算机的CD—ROM等光电子系统。这种光信号和电信号的接口需要一些特殊的器件，即半导体光电器件。采用不同材料、工艺和结构制造的，用于光、电能量或信号转换的半导体电子器件统称为半导体光电器件。这类器件种类很多，如发光二极管、激光二极管、光电二极管、光电三极管、光耦合器等。1.8.1光敏二极管1.结构及原理2.技术参数光敏二极管俗称光电二极管，是一种将光信号转换为电信号的受光器件。其图形符号为：光电二极管的基本结构是一个PN结，它的管壳上设置有一个光线入射的玻璃窗口。光电二极管工作在PN结的反向特性。光学参数主要包括：光谱范围、灵敏度和峰值波长λp。电学参数主要包括：暗电流、光电流和最高工作电压等。在无光照射时，反向电流很小，此电流称暗电流。当有光照射时，由于PN结的光敏特性，产生光生载流子，在反向电压的作用下，光生载流子参与导电，形成比无光照射时大得多的反向电流，此电流称光电流。光电流与光照强度成正比，当外电路接上负载时，便可获得随光照强弱变化的电信号，于是实现了光电转换。AK1.8.3发光二极管1.原理及结构2.技术参数发光二极管是一种将电能直接转换成光能的发光器件，简称LED，其图形符号为：LED的基本结构是一个PN结。当管子施加正向电压时，多数载流子的扩散运动加强，它们在空间电荷区复合时放出能量，并大部分转换成光能。光电器件的参数分为电学和光学参数两类。光学参数主要包括：峰值波长λp、发光强度L

电学参数主要包括：正向电压、正向电流和极限工作电流、反向电流、击穿电压等。AKLED能够发光，是由于它采用的半导体材料和掺杂浓度与普通二极管有所不同，通常采用砷化镓、磷化镓等化合物半导体，其掺杂浓度较高。发光二极管广泛用于信号显示和传输。它单个作成矩形、圆形用，也可多个组成某种形状，如七段数码管。共阴极连接gabcdef共阳极连接3.应用gabcdefgabcdef光电传输系统1简单电路的图解分析方法二极管是非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单。因此在已知二极管特性曲线时，可以采用图解法来对电路进行分析。二极管电路的分析方法[例1]电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。解：由电路的KVL方程，可得即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线

Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点2二极管电路的简化模型分析方法1）二极管V-I特性的建模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符号（c）正向偏置时的电路模型（d）反向偏置时的电路模型2二极管电路的简化模型分析方法1）二极管V-I特性的建模（2）恒压降模型（a）V-I特性（b）电路模型（3）折线模型（a）V-I特性（b）电路模型2二极管电路的简化模型分析方法2）模型分析法应用举例：（a）电路图（b）vs和vo的波形（1）整流电路2）模型分析法应用举例（2）静态工作情况分析理想模型（R=10k）当VDD=10V时，恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设当VDD=1V时？（a）简单二极管电路（b）习惯画法2）模型分析法应用举例（3）限幅电路电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。2）模型分析法应用举例（4）开关电路电路如图所示，求AO的电压值解：先断开D，以O为基准电位，即O点为0V。则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。本节小结主要知识点：1.掌握PN结的单向导电性，了解各种二极管的表示符号、工作原理及主要参数2.掌握二极管的图解法和简化模型分析方法作业1.12-1.15历届考题填空题1.在N型半导体中

是多数载流子，

是少数载流子。3.稳压二极管是利用

特性实现稳压的。自由电子PN结反向击穿空穴2.在P型半导体中

是多数载流子，

是少数载流子。自由电子空穴历届考题选择题1、P型半导体（）。（a）多子是自由电子，带负电（b）多子是空穴，带正电（c）少子是自由电子，不带电（d）少子是空穴，带负电cc2、N型半导体（）。（a）多子是自由电子，带负电（b）多子是空穴，带正电（c）少子是空穴，不带电（d）少子是空穴，带正电3、电路如图所示，设DZ1的稳定电压为6V，DZ2的稳定电压为12V，设稳压管的正向压降为0.7V，则输出电压UO等于（）。(a)18V(b)6.7V(c)30V(d)12.7V

b历届考题选择题4、图示电路，二极管D为理想元件，U=3V，Ui=6sinwtV，则输出电压uO波形为（）。b历届考题计算