半导体二极及其应用

(1-1)

半导体二极管及其应用(1-2)第一章半导体二极管及其应用§1.1

半导体的基本知识§1.2

半导体二极管§1.3半导体二极管的型号与检测§1.4

半导体二极管的应用§1.5

特殊二极管简介(1-3)1.1.1半导体的基本知识导体：自然界中容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：不导电的物质，称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、玻璃、和塑料等。半导体：另有一类物质的导电性能介于导体和绝缘体之间，称为半导体，常用的半导体材料是锗和硅。§1.1半导体的基本知识(1-4)半导体的三个奇妙特性：光敏特性、热敏特性和掺杂特性1、光敏特性：即半导体的导电能力对光照辐射很敏感。对半导体施加光线照射时，光照越强，等效电阻越小，导电能力越强。利用半导体的光敏性，可以制成光敏检测元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池等，可用于路灯、航标灯的自动控制或制成火灾报警装置、光电控制开关等。(1-5)2、热敏特性：即半导体的导电能力对温度很敏感。温度升高，将使半导体的导电能力大大增强。例如，纯锗，温度每升高10℃它的导电能力要增加一倍(电阻率会减少到原来的一半)。利用半导体对温度十分敏感的特性，可以制成自动控制中常用的热敏电阻(是负温度系数)及其它热敏元件。(1-6)3、掺杂特性“杂质”可以显著改变(控制)半导体的导电能力。这里所说的“杂质”是指人为地、有目的的、在纯净的半导体(通常称本征半导体)中掺入的极其微量的三价或五价元素(如硼、磷)。在本征半导体中掺入微量的杂质元素，则它的导电能力将大大增强。例如在纯硅中掺入一亿分之一的硼元素，其导电能力可以增加两万倍以上。利用掺杂半导体可以制造出晶体二极管、晶体三极管、场效应管、晶闸管和集成电路等半导体器件。

这也说明，任何东西的特性本身无所谓好坏，主要是看人们如何去利用它们。(1-7)一、本征半导体的结构特点GeSi本征半导体是纯净的不含杂质的晶体结构完整的半导体，硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。(1-8)半导体是晶体结构在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：(1-9)硅和锗的共价键结构示意图共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子核和内层电子(1-10)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4(1-11)在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有载流子（即载有电荷并可以参与导电的粒子），相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴(1-12)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子(1-13)2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。(1-14)温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。(1-15)在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。(1-16)一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。(1-17)+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。(1-18)二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。(1-19)三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。(1-20)1.1.

2PN

结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处会形成一个特殊的导电薄层，这个特殊的导电薄层称为PN结。(1-21)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。(1-22)漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。(1-23)PN结的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P

区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-N(1-24)PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd(1-25)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0(1-26)1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴.N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少子，数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:(1-27)

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区电位高于N区电位。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：

P区电位低于N区电位。(1-28)－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。(1-29)二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE(1-30)1.

2半导体二极管PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型阳极阴极二极管的电路符号：1.2.

1半导体二极管的结构和符号(1-31)二极管的主要特性---单向导电1、二极管的偏置：二极管单向导电的特性，只有外加一定极性的电压（称为偏置）才能表现出来。阳极电位高于阴极电位称为二极管的正向偏置，反之称为反向偏置。2、二极管的主要特性：单向导电，即正向导通，反向截止。或曰：只能一个方向导电，另一个方向不导电，即由阳极向阴极可以顺利的流电流，反方向不流电流。只能一个方向电，(1-32)UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR1.2.

3二极管的伏安特性(1-33)1.最大整流电流

IFM在规定的环境温度和散热条件下，二极管长期使用时，所允许流过二极管的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压URM通常称耐压值或额定工作电压，是指保证二极管截止的条件下，允许加在二极管两端的最大反向电压。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是击穿电压UBR的一半。1.2.

4二极管的主要参数(1-34)3.反向电流

IR指二极管未击穿时的反向电流。反向电流越小越好。通常反向电流数值很小，但受温度影响很大，温度越高反向电流越大，一般温度每升高10o,反向电流约增大一倍。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。4.最最高工作频率fM

指保证二极管导向导电作用的最高工作频率。当工作频率超过fM时，二极管将失去导向导电性。(1-35)所谓理想二极管也就是最好的二极管，即：1.正向导通时死区电压和导通压降均为零，正向导通电流为无穷大。相当于理想开关闭合。2.反向截至时，反向电流为零，反向击穿电压为无穷大。相当于理想开关断开。1.2.

5理想二极管(1-36)RLuiuouiuott4半导体二极管的应用1.4.1

二极管整流电路(1-37)二极管的用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo(1-38)1.5.1

稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。§1.5特殊二极管简介(1-39)稳压管的主要特性

稳压管在反向击穿状态下，流过管子的电流在较大范围内变化时，而管子两端电压却基本不变；或曰：稳压管在反向击穿状态下，管子两端电压只要有微小的变化，就会引起通过稳压管的电流有很大的变化。这是稳压管的主要特性。(1-40)（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）

稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻(1-41)负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。——方程