第二章晶体二极管

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：1.什么是导体、绝缘体、半导体：(1).导体：导电性能良好的物质。(3).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.半导体的特性：(1).掺杂特性。(掺入杂质则导电率激增)(2).热敏特性。(温增则导电率显增)(3).光敏特性。(光照可增加导电率、产生电动势)导电率为105s.cm-1量级，如：金、银、铜、铝。(2).绝缘体：几乎不导电的物质。导电率10-22-10-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。导电率为10-9-102s.cm-1量级，如：硅、锗、砷化镓等。二、本征半导体：(一)硅和锗晶体的共价健结构1.硅和锗均为4价元素。2.晶体中晶格决定原子间按一定规律排列得紧密。（四面体结构）3.外层电子成为共价键。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体。（二）两种载流子——电子和空穴T=300K时:少数价电子获得能量,从价带到导带——自由电子，(本征激发)自由电子导带禁带Eg价带空穴载流子的能带图动画一

T=0K

时:价电子被束缚在价带内，晶体中无自由电子.1.电子空穴对：电子和空穴是成对产生的.价电子在原位置留下空位——空穴。两种载流子——电子和空穴2.自由电子——载流子：在外电场作用下形成电子流（在导带内运动），方向与电场方向相反。外电场E的方向电子流空穴流E载流子的能带图3.空穴——载流子：在外电场作用下形成空穴流（在价带内运动），方向与电场方向相同4.漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动。导带禁带价带动画二自由电子空穴（三）载流子的浓度

A0—与材料有关的常数。

EG0—禁带宽度。

T—绝对温度。

K—玻尔兹曼常数。

ni、pi

与温度T和禁带宽度EGO有关。本征半导体中电子的浓度p(空穴浓度):表示单位体积的空穴数。(pi)n(电子浓度):表示单位体积的自由电子数。（ni）(1-1)本征半导体中空穴的浓度当材料一定时：载流子的浓度主要取决于温度；温度增加使导电能力激增。温度可人为控制。+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键(四)载流子的产生与复合空穴自由电子空穴A、本征激发—

电子、空穴对的产生B、电子与空穴的复合D、最后达到动态的平衡C、空穴是可以移动的，其实是共价键的电子依次填补空穴，形成空穴的移动(四)载流子的产生与复合ni（电子浓度）：是动态平衡值。g(载流子的产生率):每秒成对产生的电子空穴的浓度。R(载流子的复合率)：每秒复合的载流子的浓度。当g=R时(平衡时)：

R=rnipi

(1-2)其中r是和材料有关的系数三、杂质半导体3.在N型半导体中：自由电子——为多数载流子空穴——为少数载流子+4+4+4+4+5+4+4+4+4（一）N型半导体1.在四价元素中掺入五价元素磷，五价元素与周围四个原子形成共价键，余下一个电子成为自由电子。2.磷原子贡献一个电子（在电场作用下成为自由电子）——施主杂质（正离子）杂质半导体3.在P型半导体中：空穴——为多数载流子自由电子——为少数载流子+4+4+4+4+3+4+4+4+4（二）P型半导体1.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键，因缺少一个电子形成“空穴。2.硼原子在电场作用下接受一个电子——受主杂质（负离子）在杂质半导体中，尽管杂质含量很少，但提供的载流子以数量计算仍远大于本征半导体中载流子的数量。例如：T=300k时，锗本征半导ni=2.5×1013/cm3,锗原子密度为4.4×1022/cm3,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：

ND=10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3

（比ni大十万倍）（三）、杂质半导体的载流子浓度在杂质型半导体中：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），故使导电能力激增。结论半导体的热敏性；半导体的光敏性特性；半导体的掺杂特性；是可人为控制的。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PN结与晶体二极管(1).两种半导体结合后，由于浓度差产生载流子的扩散运动结果产生空间电荷区耗尽层（多子运动）。+++++++++PN载流子要从浓度大区域向浓度小的区域扩散,称载流子的扩散的运动(2).空间电荷区产生建立了内电场产生载流子定向运动（漂移运动）(3).扩散运动产生扩散电流；漂移运动产生漂移电流。动态平衡时：扩散电流=漂移电流。

PN结内总电流=0。PN结的宽度一定。把载流子在电场作用下的定向移动称为漂移运动动画三一.PN结的基本原理：（一）.PN结的形成：当扩散运动↑内电场↑漂移运动↑扩散运动↓动态平衡。自由电子空穴++++++PN+++(2).接触电位

V决定于材料及掺杂浓度：硅：V=0.7锗：V=0.2++++++PNPN结的接触电位V(二)PN结的接触电位：(1).内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V(又称为位垒)。(3).其电位差用表示+++(1).U↑q(V-U)位垒高度↓耗尽层变薄扩散运动(多子)↑扩散电流↑1.PN结加正向电压时：

(内电场)与U方向相反+PN+Q(V-U)扩散U动画四（三）PN结的单向导电性(2).位垒高度↓

漂移运动（少子）↓漂移电流↓(3).正向电流决定于扩散电流。此时PN结导通。I漂移(1).U↑q(V+U)位垒高度↑

耗尽层变厚扩散运动(多子)↓

扩散电流↓2.PN结加反向电压时：

(内电场)与U方向相同+PN+Q(V+U)扩散U动画五(2).位垒高度↑

漂移运动（少子）↑漂移电流↑(3).反向电流决定于漂移电流此时PN结截止。I漂移Is

饱和电流;UT=kT/q为温度电压当量。k波尔兹曼常数；(T=300k;时

UT=26mv)二.PN结的电流方程：由半导体物理可推出：当加正向电压时：当加反向电压时：

I-IsIUIs播放动画（1，2，3，4，5）1.晶体二极管的结构类型:三、晶体二极管的结构和伏安特性在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管二极管按结构分点接触型面接触型平面型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用于工频大电流整流电路可用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，常用于高频整流和开关电路中。2.晶体二极管的理想伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线IU1.当加正向电压时PN结电流方程为：2.当加反向电压时I随U↑，呈指数规率↑I=-Is

基本不变1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：Ur=0.5-0.7v;锗：Ur=0.1-0.2v2.加反向电压时相同温度下：

Is硅(nA,10-9)<Is锗(A,10-6)

硅管比锗管稳定.3.当反向电压增大到UB时再增加，反向激增，发生反向击穿，UB称为反向击穿电压。3.实测伏安特性:①②③正向电压时：(1).OQ斜率的倒数是正向电阻R。(2).R与Q有关，Q不同,R也不同反向电压时：I很小，R很大。IDUDD0IUQUDID为非线性电阻：用静态电阻和动态电阻描述(一).直流电阻：四.晶体二极管的电阻：定义为：R=UD/ID;工作点tg=ID/UD=1/R二极管的正向伏安特性(2).MN的斜率:tg=I/U=-1/RL0UIIDEDDRLUDEDMED/

RLN(1).MN为直流负载线。UD=ED-IDRL;ID=f(UD)两条曲线的交点为静态工作点Q：(二).静态工作点：Q(3).则求出直流电阻:R=UD/IDQUDID作Q的切线，则有:r=U/I;

或r=dU/dI因为：

I=Ise

U/nUT;交流电导：

g=dI/dU=I/(nUT)交流电阻：r=1/g=

nUT/I若室温下n=1：UT=26mv交流电阻：r=26mv/ID(mA)UEDDRLiDIQ0UUI

二极管工作时既有直流，又有交流。(三).交流电阻：(一).反向击穿现象:

反向电压超过一定值时导致二极管击穿，分为电击穿、热击穿1.电击穿:(1).雪崩击穿：当U↑，载流子获得能量高速运动，产生碰撞电离，形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流I↑。(2).齐钠击穿：当U↑，强电场直接破坏共价键。将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流I↑。2.热击穿:

当U↑时,耗散功率超过PN结的极限值,使温度升高,导致PN结过热烧毁.五.PN结的反向击穿和稳压二极管：（二）稳压二极管稳压二极管：是应用在反向击穿区的特殊二极管。稳压特性：在反向击穿时，电流急增而PN结两端的电压基本保持不变。正向部分与普通二极管相同。特点：工作区在反向击穿区。RZUZ特性参数：1.稳定电压UZ:反向击穿电压。2.最大工作电流Izmax:受耗散功率的限制，使用时必须加限流电阻（二）稳压二极管(3)最小稳定电流IZmin,

稳压二极管正常工作时

IZ>

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。(一).势垒电容CT:

把PN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。（此电容效应为势垒电容）

(二).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。

(三).

变容二极管：利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。六.晶体二极管的电容和变容二极管：符号第三节光电二极管与发光二极管二.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。类型：发光的颜色有红，黄，绿，蓝，紫。用途：主要用于显示。符号符号光电器件可分为两大类：1.光敏器件：把光能转变成电能的器件。2.发光器件：光辐射器件，把电能转变成光能的器件。一.光电二极管：定义：有光照射时，就有电流产生的二极管。类型：有PN结型，PIN结型，雪崩型。用途:光电池（光电二极管其PN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、整流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:e2E2m+-iDuL整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。~220Ve2iDuL+-二极管的应用输入交流电压：e2=Em2sint

经整流；直流输出电压为：（平均值）=Em2/=0.318Em2≈0.45E2

E2为e2的有效值优点：电路简单缺点：输出直流电压低二极管应用~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLe2’e2-+-+e2uL（二）全波整流:输入交流电压：e2=Em2sint

经整流后，为半波的两倍。Udc=2Udc(半)=0.9E2E2为e2的有效值优点：输出电压高缺点：变压器需要抽头~220Ve2uL+-~220Ve2uL+-e2uL（三）桥式整流:二极管应用输入交流电压：e2=Em2sint

经整流直流输出电压：Udc=2Udc(半)=0.9E2E2为e2的有效值与全波整流相同：优点：输出电压高，二极管承受的反压小。变压器不需要抽头。缺点：电路复杂（五）电容滤波电路:1.对直流信号:

C的容抗无穷(相当于开路)

2.对交流信号:

依靠电容的充放电作用可减小纹波：当电压小于电容两端电压时，电容向负载放电。二极管应用二.限幅与箝位电路1）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:设D为理想二极管;当输入电压ui<UR时，D截止，uo=ui；当输入电压ui>UR时，D导通，uo=UR,即输出波形被限幅。图2—32限幅电路分析URDRUiuououiuR2）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

工作原理:设t=0ˉ时电容上的初始电压为零;t=0+时，ui=Um,电容也被充上了大小为Um的电压，极性如图。此刻uo=0并且uo=0将一直保持到t=t1，uiDR+—+tuouiUm2Umt1t2t2t1+-C此后，ui突降到–Um,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,则C上的充电电压一直保持Um,于是输出电压为uo=ui–Um=–2Um,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。三.稳压电路：1.输入电压变化时:

Ui↑Uo↑IZ↑IR↑UR↑Uo

↓2.当负载变化时：