半导体二极管及其应用

半导体二极管及其应用第一页，共五十页，2022年，8月28日4.1半导体基础知识导体、绝缘体和半导体第二页，共五十页，2022年，8月28日半导体的结构特点现代电子学中，用得最多的半导体是硅和锗，它们的最外层都电子（价电子）都是四个。它们的最外层电子既不像导体那样容易挣脱原子核的束缚成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚很紧，内部没有自由电子，所以半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。第三页，共五十页，2022年，8月28日一、本征半导体本征半导体就是纯净半导体。本征半导体中的四价元素是靠共价键结合成分子的。半导体包括本征半导体和杂质半导体共价键共用电子对硅和锗的共价键结构第四页，共五十页，2022年，8月28日共价键具有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。在硅和锗晶体中，每个原子都处于正四面体的中心，其它原子处在四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子间形成共价键。第五页，共五十页，2022年，8月28日本征激发和两种载流子在常温下，本征半导体内部仅有极少数的价电子可以在热运动的激发下，挣脱原子核的束缚而成为晶格中的自由电子，与此同时，在共价键中将留下一个带正电的空位子，称为空穴。自由电子束缚电子空穴第六页，共五十页，2022年，8月28日热运动激发所产生的电子和空穴总是成对出现的，称为电子-空穴对。本征半导体因热运动而产生电子-空穴对的现象称为本征激发。在外加电场力的作用下，自由电子的移动形成一个与自由电子移动方向相反的电流。外加电场力空穴的移动可以看成是自由电子定向依次填充空穴而形成的，形成与空穴运动方向相同的空穴电流。第七页，共五十页，2022年，8月28日半导体内部同时存在着自由电子和空穴移动所形成的电流是半导体导电方式的最大特点，也是半导体与金属导体在导电机理上本质的差别。在电子技术中把参与导电的物质称为载流子。本征半导体中有两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。第八页，共五十页，2022年，8月28日温度越高，由本征激发所产生的电子-空穴对越多，本征半导体内部载流子的浓度也越高，本征半导体的导电能力就越强，这就是半导体导电能力受温度影响的直接原因。本征半导体本征激发的现象还与原子的结构有关，硅的最外层电子离原子核较锗的最外层电子近，所以硅最外层电子受原子核的束缚力较锗的强，本征激发现象比较弱，热稳定性比锗好。第九页，共五十页，2022年，8月28日第十页，共五十页，2022年，8月28日二、杂质半导体半导体的导电能力除了与温度有关外，还与半导体内部所含的杂质有关。在本征半导体中掺入微量的杂质，可以使杂质半导体的导电能力得到改善，并受所掺杂质的类型和浓度控制，使半导体获得重要的用途。由于掺入半导体中的杂质不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两大类。第十一页，共五十页，2022年，8月28日1、N型半导体在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量的五价元素，如磷（P）。五价元素的四个价电子与硅（或锗）原子组成共价键后、将多余一个价电子。这一多余的电子不受共价键的束缚，容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。于是，半导体中自由电子的数量剧增。多余电子磷原子每个磷原子给出一个电子，故称为施主原子。第十二页，共五十页，2022年，8月28日N型半导体中的载流子是什么？（1）由施主原子提供的电子，数目与施主原子相同；（2）本征激发成对产生的电子和空穴。由于掺入杂质使自由电子数目大大增加，所以在N型半导体中，自由电子数目远大于空穴数目。电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子)。N型半导体主要靠自由电子导电，在本征半导体中掺入的杂质越多，所产生的自由电子数也越多，杂质半导体的导电能力就越强。

第十三页，共五十页，2022年，8月28日2、P型半导体在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量的三价元素，如硼（B）。三价元素的3个价电子与硅（或锗）原子组成共价键后、将产生一个空位。空位硼原子这一空位容易被邻近的自由电子填补，产生一个空穴。于是，半导体中空穴的数量剧增。空穴每个硼原子接受一个电子，故称为受主原子。第十四页，共五十页，2022年，8月28日P型半导体中的载流子是什么？（1）由于受主原子而产生的空穴，数目与受主原子相同；（2）本征激发成对产生的电子和空穴。由于掺入杂质使数目空穴大大增加，所以在P型半导体中，空穴数目远大于自由电子数目。空穴为多数载流子（简称多子），电子为少数载流子（简称少子)。P型半导体主要靠空穴导电，在本征半导体中掺入的杂质越多，所产生的空穴数也越多，杂质半导体的导电能力就越强。

第十五页，共五十页，2022年，8月28日三、PN结利用特殊的掺杂工艺，可以在一块晶片的两边分别生成N型和P型半导体，在两者的交界处将形成PN结。P型半导体N型型半导体扩散运动漂移运动内电场E空间电荷区（扩散使空间电荷区加宽）（漂移使空间电荷区变薄）1、PN结的形成当参与扩散的多数载流子和参与漂移的少数载流子在数目上相等时，空间电荷区内电荷的数目将达到一个动态的平衡，并形成PN结。第十六页，共五十页，2022年，8月28日第十七页，共五十页，2022年，8月28日2、PN结的单向导电性（1）外加正向电压-----正向偏置(P接+,N接-)内电场E内外电场E外E外削弱E内,空间电荷区变窄,扩散大大超过漂移,形成较大的正向电流Ⅰ,呈现比较小的电阻。I第十八页，共五十页，2022年，8月28日（2）外加反向电压-----反向偏置(P接-,N接+)E外增强E内,空间电荷区变厚,阻碍扩散,促进少子的漂移形成微小的反向电流ⅠS,呈现较大的电阻,ⅠS称为反向饱和电流。外电场E外内电场E内归纳PN结的单向导电性表现为:正偏导通,反偏截止第十九页，共五十页，2022年，8月28日3、PN结的电流方程当PN结外加电压为u，产生电流

i，若它们的参考方向关联，并且P为+,N为-，则电流方程为：UT称为温度电压当量，在T=300K的常温下，温度电压当量UT≈26mV。其中q为电子电量，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。非线性元件第二十页，共五十页，2022年，8月28日4、PN结的伏-安特性曲线当PN结外加正向电压u>>UT时，IS当PN结外加反向电压|u|>>UT时，，1可忽略，式中的负号也说明了反向偏置时电流的方向与正向偏置时电流的方向相反。，i≈-IS，UBRPN结的反向击穿有雪崩击穿和齐钠击穿两种，当掺杂溶度比较高时，击穿通常为齐纳击穿；当掺杂溶度比较低时，击穿通常为雪崩击穿。无论那种击穿，若对电流不加限制，都可能造成PN结的永久性损坏。第二十一页，共五十页，2022年，8月28日4.2半导体二极管一、结构与符号:有玻璃外壳,塑料外壳,金属外壳,里面是一个PN结,引出到外面有两个电极,P为+极,N为–极图形符号是:文字符号是:VD,或者D+-二、伏安特性:1、二极管开启电压Uth硅管为0.5V，锗管为0.2VUonUth2、二极管导通电压Uon硅管为0.5~0.7V，锗管为0.2~0.3V第二十二页，共五十页，2022年，8月28日-左移th减小增加下降第二十三页，共五十页，2022年，8月28日4.2.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF

指二极管长期工作时允许流过的正向平均电流的最大值。这是二极管的重要参数，使用中不允许超过此值。对于大功率二极管，由于电流较大，为了降低PN结的温度，提高管子的带负载能力，通常将管子安装在规定的散热器上使用。

(2)反向工作峰值电压UR

反向工作峰值电压UR是二极管工作时允许外加反向电压的最大值。

通常UR为二极管反向击穿电压UBR的一半。第二十四页，共五十页，2022年，8月28日(3)反向峰值电流IR

反向峰值电流IR是二圾管未击穿时的反向电流。IR愈小，二极管的单向导电性愈好。(4)最高工作频率fM

最高工作频率fM是二极管工作时的上限频率，超过此值，由于二极管结电容的作用，二极管将不能很好的实现单向导电性。第二十五页，共五十页，2022年，8月28日4.2.4二极管极性的简易判别法利用万用表的R×100，或R×1K档测量。数字万用表的红表笔插在“+”插孔上，相当于红表笔与万用表内电池的负极相连，黑表笔与万用表内电池的正极相连。反向电阻要比正向电阻大得多。(1)当万用表的黑表笔接至二极管阳极，红表笔接至阴极时，二极管处在正向偏置，测得电阻很小；(2)当万用表的黑表笔接至二极管阴极，红表笔接至阳极时，二极管处在反向偏置，测得电阻很大。第二十六页，共五十页，2022年，8月28日模拟万用表的红表笔插在“+”插孔上，相当于红表笔与万用表内电池的正极相连，黑表笔与万用表内电池的负极相连。第二十七页，共五十页，2022年，8月28日二极管正向特性的数学模型1、理想模型——理想的开关2、恒压模型——其正向压降为0.7V(硅管)4.2.5二极管的等效电路ii理想二极管+电压源第二十八页，共五十页，2022年，8月28日3、折线模型：认为二极管的正向压降不是恒定的，而是随通过二极管电流的增加而增加。例如：二极管的Uth=0.5V当i=1mA时，uD=0.7V则注意：不同二极管的rD和 Uth是不一样的i理想二极管+电压电源+动态电阻第二十九页，共五十页，2022年，8月28日模型分析法应用举例（1）使用理想模型得：uD=0ViD=VDD/R（2）使用恒压模型得：uD=0.7ViD=（VDD-VD）/R+-uDVDDRDiD图3.16（3）使用折线模型得：uD=Vth+iDrDiD=（VDD-Vth）/（R+rD）VDDVD时，使用恒压模型较好VDD较低时，使用折线模型较合理根据实际情况选择合适的模型是关键第三十页，共五十页，2022年，8月28日4.3二极管的应用二极管整流电路1、半波整流

二极管正半周导通负半周截止第三十一页，共五十页，2022年，8月28日2、桥式整流（全波整流）↗→+↗↑↑↓←↑←-→↘↑↓←↑↘+-←正半周负半周第三十二页，共五十页，2022年，8月28日3、倍压整流:-u2+u1u2uo+-2u2-u2++--2u2+-+-2u2++--2u2+第三十三页，共五十页，2022年，8月28日4、限幅电路(1)当ui>US时，作用：让信号在预置的电平范围内有选择地传输一部分(2)当ui<US时，VD导通，uo=0.7VD截止，uo=ui若VD导通压降可忽略第三十四页，共五十页，2022年，8月28日例1：如果图示电路中设二极管为恒压模型。求电路中输出的电压Vo值说明二极管处于何种状态？解：假设先将A、B断开，则VA=-10V,VB=-5V，∴VAB=VA-VB=-5V，可见接入后二极管将处于反向截止状态，电路中电流为0（反向电阻无穷大），∴电阻R上的压降为0，Vo=-5V第三十五页，共五十页，2022年，8月28日例2：如果图示电路中设二极管为恒压模型。求电路中输出的电压Vo值说明二极管处于何种状态？解：假设先将A、B断开，VB1＝0V，VB2=-12，VA＝

-9

V，VB1A＝VB1-VA＝9V，VB2A=VB2-VA＝-12-(-9)=-3V∴将D1、D2接入后，D1导通，D2截止，VA被D1箝位在－0.7V上。∴Vo=VA=-0.7V导通截止第三十六页，共五十页，2022年，8月28日例3：已知二极管电路及其输入波形如图所示，忽略二极管正向压降和正向电阻。试求VO的波形。当Vi>1v时，D1导通，Vo被钳位在1v，D2因而截止。当Vi<1v，D1、D2均截止，Vo随Vi而变化。解：分析第三十七页，共五十页，2022年，8月28日例:求Uab=?先得判断VD1、VD2导通或者截止第三十八页，共五十页，2022年，8月28日5、开关电路应用：高速开关，逻辑电路vAvBv0000100010111其逻辑关系如下表：第三十九页，共五十页，2022年，8月28日

稳压管又称齐纳二极管。它是一种特殊的面接触型硅晶体二极管。由于它有稳定电压的作用，经常应用在稳压设备和一些电子线路中。

4.4稳压管稳压管的符号第四十页，共五十页，2022年，8月28日 稳压管的正常工作范围，是在伏安特性曲线上的反向电流上升的A、B段。这一段的电流，对于常用的小功率稳压管来讲，一般为几毫安至几十毫安。IZminIZmaxAB稳压管工作在反向击穿状态稳压管的特性曲线与普通二极管基本相似，只是稳压管的反向特性曲线比较陡。ⅠZ+UZ_↓第四十一页，共五十页，2022年，8月28日一、稳压管的主要参数

(1)稳定电压VZ

稳定电压就是稳压二极管在正常工作时，管子两端的电压值。这个数值随工作电流和温度的不同略有改变，既是同一型号的稳压二极管，稳定电压值也有一定的分散性。

(2)稳定电流IZ、最小稳定电流IZmin、大稳定电流IZmax

稳定电流：工作电压等于稳定电压时的反向电流；

最小稳定电流：稳压二极管工作于稳定电压时所需的 最小反向电流；

最大稳定电流：稳压二极管允许通过的最大反向电 流。第四十二页，共五十页，2022年，8月28日（3）额定功耗PZM

额定功耗PZM等于稳压管的稳定电压VZ与最大稳定电流IZM的乘积，稳压管的功耗超过此值时，会因PN结温度过高而损坏。

（4）动态电阻rd

动态电阻rd是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与电流变化量的比，即ΔUZ/ΔIZ，rd愈小，电流变化时UZ的变化愈小，即稳压管的稳压特性愈好。（5）温度系数α温度系数α表示温度每变化1℃时，稳压管稳压值的变化量。稳压管的稳定电压小于4V的管子具有负温度系数（属于齐纳击穿），即温度升高时稳定电压值下降；稳定电压大于7V的管子具有正温度系数（属于雪崩击穿），即温度升高时稳定电压值上升；而稳定电压在4～7V之间的管子，温度系数非常小，齐纳击穿和雪崩击穿均有，互相补偿，温度系数近似为零。第四十三页，共五十页，2022年，8月28日二、稳压管的应用稳压管常用在整流滤波电路之后，用于稳定直流输出电压的小功率电源设备中。如图是由R、Dz组成的稳压电路，电路的稳定电压的原理如下：只要R参数选得适当，就可以基本上抵消Vi的升高值，因而使Vo基本保持不变。RDZRLV0ViIRIZI0++--第四十四页，共五十页，2022年，8月28日可见，在这种稳压电路中，起自动调节作用的主要是稳压二极管Dz，当输出电压有较小的变化时，将引起稳压二极管电流Iz的较大变化，通过限流电阻R的补偿作用，保持输出电压Vo基本不变。RDZRLV0ViIRIZI0++--第四十五页，共五十页，2022年，8月28日