第二章半导体二极管及其基本电路

2.1半导体的基本知识2.3半导体二极管2.4二极管基本电路及其分析方法2.5特殊二极管2.2PN结的形成及特性2半导体二极管及其基本电路小结2.6二极管的应用学习指导作业学习指导电子技术是当代高新技术的龙头。半导体器件是电子技术的重要组成部分。PN结是半导体器件的核心环节。半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路中有广泛的应用。

主要内容:1、半导体的基本知识;2、PN结的形成及特点;3、半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电路。学习目标：1、掌握以下基本概念：半导体材料的特点、空穴、自由电子、多数载流子、少数载流子、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；2、了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性；3、掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法；4、正确理解半导体二极管的主要参数；5、掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，了解选管的一般原则。2.1半导体的基本知识

半导体特性

半导体的共价键结构

本征半导体

杂质半导体2.1.1半导体特性何谓半导体物体分类导体如：金属绝缘体如：橡胶、云母、塑料等。—导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体

半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体器件温度增加使导电率大为增加热敏特性热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光敏特性光敏器件光电器件常用的半导体材料有：

元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）

化合物半导体：砷化镓（GaAs）

掺杂材料：硼(B)、铟(In)；磷(P)、锑(Sb)。硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构价电子是我们要研究的对象2.1.2半导体的共价键结构硅晶体的空间排列2.1.3本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体Si+14284Ge+3228184+4共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带EG外电场E自由电子定向移动形成电子流束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流本征半导体两种载流子动画一1.本征半导体中有两种载流子—自由电子和空穴2.在外电场的作用下，产生电流—电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的运动与外电场方向相同，始终在价带内载流子在电场力作用下的定向运动叫漂移运动本征半导体空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。

用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流电子浓度ni=空穴浓度pi2.早1.辨4杂质忌半导雄体杂质交半导盗体掺入齐杂质指的本仓征半斤导体兔。掺杂主后半洋导体喝的导拿电率杠大为欲提高掺入敏三价街元素赚如B眯、A狼l、诊In名等，形成书P型邪半导宇体，鲜也称披空穴故型半冤导体掺入板五价稼元素智如P缓、S披b等坊，形成刃N型隆半导鼓体，俘也称韵电子坟型半舅导体杂质声半导义体N型绳半导破体在本机征半染导体勾中掺盲入五狸价元钟素如宫P。价带导带+++++++施主能级自由所电子归是多乱子空穴垃是少楼子杂质堤原子繁提供由热穿激发驾形成由于展五价枝元素撕很容扫易贡另献电滨子，逃因此仍将其脖称为施主洗杂质爷。施主机杂质母因提疲供自枕由电佩子而我带正过电荷壁成为正离熔子杂质美半导枪体P型悬半导孕体在本角征半疗导体庸中掺候入三董价元痛素如事B。价带导带-------受主能级自由守电子醋是少害子空穴洲是多举子杂质护原子榜提供由热葵激发坊形成因留殿下的刮空穴驳很容亿易俘壮获电和子，子使杂增质原怪子成杠为负离港子。三价棒杂质蔑因趁而也产称为受主驱杂质。本征蒜半导林体、丑杂质筝半导剥体本节叠中的跳有关舱概念自由甘电子恶、空她穴N型半寨导体蛙、P型半错导体多数辜载流垂子、丸少数贼载流仿子施主津杂质桶、受泪主杂众质2.刃2胞P东N结欢的形敌成及倾特性PN并结的途形成PN开结的摩单向思导电呼性PN设结的水反向泡击穿PN秋结的甩电容舒效应2.哄2.铸1PN结的辱形成P区N区扩散活运动载流额子从浓度大向浓系度小的区戒域扩散,称扩散稀运动形成冤的电刺流成粘为扩散伍电流内电酒场内电炸场阻碍伸多子向对兰方的扩散即阻碍趟扩散朝运动同时促进则少子向对嚼方漂移即促进剪了漂权移运守动扩散浑运动顿=漂氏移运汪动时达到动态谁平衡内电骨场阻啊止多捕子扩吼散因浓表度差多子优的扩臂散运具动由杂质贝离子局形成锣空间朵电荷禾区空间南电荷志区形悦成内砍电场内电记场促关使少饼子漂蜘移扩散嫂运动多子痒从浓挪度大卷向浓炉度小很的区白域扩风散,炕称扩伯散运赛动扩散息运动朱产生销扩散聋电流漂移恭运动载流烟子在真电场奇力作丙用下周的定描向运席动,殖称漂嘉移运玩动，漂移获运动购产生邀漂移杜电流形。动态燥平衡扩散车电流微=漂骑移电满流，锈PN拔结内悄总电绕流=悬0。PN结稳定途的空急间电予荷区又称也高阻危区也称润耗尽蛋层PN稀结的芳形成动画逗二VPN结的久接触舅电位内电岗场的匪建立庸，使抹PN运结中非产生浮电位仰差。搬从而乡丰形成距接触瓦电位纯V接触少电位膜V决定索于材血料及羞掺杂移浓度硅：蚊V=遣0.秩7锗：驼V=色0.伟22.顶2.渡2PN结的冒单向韵导电纯性1.均P新N结编加正您向电忠压时捆的导致电情佛况外电叔场方危向与PN结内欲电场跪方向狼相反扩，削优弱了伸内电烫场。苍于是滔内电棉场对速多子宁扩散刮运动肥的阻跟碍减骑弱，面扩散兄电流研加大来。扩散目电流呀远大歼于漂夹移电袖流，仪可忽拦略漂享移电腐流的肤影响奸。PN结呈须现低愉阻性椒。P区的航电位槐高于N区的良电位怨，称荷为加正向核电压，简脊称正偏；内外PN结的伶单向肯导电屑性2.箱P敬N结尺加反痒向电漂压时父的导西电情赔况外电摄场与PN结内钞电场浸方向策相同协，增袄强内遗电场胞。内电唱场对乞多子坝扩散位运动铁阻碍射增强啊，扩离散电暮流大票大减洞小。容少子钢在内航电场煮的作裕用下灭形成乖的漂拘移电优流加泛大。此时浓PN豆结区翼少子遗漂移郊电流厦大于欧扩散存电流堆，可丽忽略休扩散浅电流僵。PN板结呈轰现高博阻性P区的节电位背低于N区的爹电位凝，称吸为加反向扔电压，简泡称反偏；内外由此傅可以补得出谎结论纪：P诱N结书具有种单向甜导电竹性。PN削结加杰正向钉电压除时，汉呈现富低电报阻，朋具有筹较大弃的正姐向扩蛛散电流套；PN齿结加纺反向坐电压势时，练呈现疗高电芬阻，殊具有窑很小锤的反缎向漂排移电散流。PN尖结的攻单向索导电伍性动画询三式中泡Is刊饱和蹲电流惕;UT=逢kT圆/q小矿等效势电压k瓜歪波尔贺兹曼称常数个；T=肆30洁0k坛（室眉温）烘时化UT=优26礼mvPN结电淋流方旺程由半旷导体史物理禽可推侄出：当加洗反向捉电压掉时：当加荣正向咽电压置时：(U匪>>徒UT)PN报结两数端的采电压素与流过务PN勤结电肚流的似关系即式PN结的伏安特性2.熔2.姑3PN结的帜反向多击穿反向谦击穿PN愤结上硬所加袄的反兔向电贡压达次到某名一数为值时向，反法向电汉流激嫂增的皆现象雪崩胳击穿当反筋向电津压增岂高时滤，少子遮获得凤能量嫩高速帝运动叙，在艳空间瞒电荷艰区与躲原子碌发生镰碰撞车，产蹄生碰缩慧撞电世离。魂形成拨连锁忙反应配，象全雪崩料一样耍，使夏反向叮电流狸激增悄。齐纳献击穿当反浙向电厘压较径大时具，强电诵场直欢接从条共价植键中擦将电恭子拉摄出来乡丰，形基成大疫量载蜘流子斤,使谋反向煮电流激增蹈。击穿标是可纸逆。掺杂妄浓度小的二极脊管容累易发回生击穿胡是可泻逆。掺杂脆浓度大的二极卸管容主易发蚊生不可图逆击匪穿—旦热击会穿PN轧结的博电流臂或电范压较恶大，吓使P疮N结株耗散沈功率闲超过来极限警值，茧使结堵温升熔高，奔导致窗PN衰结过亲热而刻烧毁势垒捆电容CB势垒映电容出是由只空间屿电荷铅区的叶离子疯薄层勿形成盯的。弟当外榨加电鼓压使站PN养结上颠压降篮发生绘变化反时，滚离子眼薄层拣的厚嚼度也群相应尤地随侄之改表变，丑这相列当P从N结借中存匙储的楼电荷何量也饼随之务变化示，犹您如电引容的斯充放丸电。2.臭2.勤4PN结的消电容蝇效应动画扩散折电容锡是由赌多子沈扩散纪后，回在P绢N结循的另酸一侧漫面积叨累而劳形成况的。抢因P俱N结豆正偏稻时，盛由N览区扩执散到异P区呆的电占子，伶与外博电源踢提供拖的空同穴相哭复合蚊，形林成正良向电坦流。撒刚扩谈散过亮来的桐电子牺就堆绩积在案P掉区融内紧躲靠P戏N结漫的附开近，浙形成亩一定怎的多栽子浓白度梯微度分惯布曲朗线。扩散他电容CDPN结电埋容效公应当外美加正器向电歉压不同就时，构扩散搜电流秤即外电稍路电忧流的潜大小倒也就不支同。腹所以议PN肺结两侧堆每积的婆多子雪的浓仇度梯度绪分布楼也不披同，愁这就相呀当电磨容的双充放尽电过程恶。势柜垒电银容和药扩散电伟容均武是非支线性登电容。2.拍3是半液导体指二极赚管半导扁体二越极管秧的结望构二极磁管的忽伏安绿特性二极桶管的输参数实物售图片半导中体二雀极管械的结朋构在P耽N结尿上加砌上引草线和毫封装席，就蹦成为降一个叫二极淋管。构二极哀管按恳结构羽分为点接卵触型柄、面炎接触村型和端平面乳型三大蝴类。(1梦)赌点萄接触财型二死极管PN虾结面脆积小漏，结旨电容经小，竖用于悦检波小和变励频等塞高频割电路约。(a)点接触型

二极管的结构示意图(3叙)这平宜面型密二极逢管往往孙用于询集成仪电路征制造泼工艺杠中。碗PN艰结架面积薪可大稻可小将，用输于高动频整洋流和紧开关妻电路蝴中。(2粉)额面据接触河型二钉极管PN绳结面和积大差，用派于工夏频大汽电流关整流挑电路醉。(b)面接触型(c)平面型(4庭)砌二极劈燕管的如代表伸符号晶体票二极籍管1.郊正向翼起始读部分糖存在壁一个罚死区鲜或门庄坎，洗称为门限馅电压。硅：且Vr浮=0杜.5行-0椅.6饱v;衡锗烫：V燥r2.贤加反碗向电诞压时略，反降向电矮流很恰小即Is硅(n扣A)虏<Is锗(A)硅管吼比锗跨管稳衔定3.亭当反焦压增狮大VB时再越增加盘，反昏向电五流激且增，奴发生贿反向准击穿苹，研VB称为飞反向寺击穿错电压圣。①②③二极拔管的旁伏安异特性瞒可用律下式肤表示二极佣管的绩伏安龟特性晶体溉二极防管晶体二极股管的园电阻非线纷性电膜阻直流赞电阻下R(也同称静管态电能阻）交流拴电阻愤r（又固称动朗态电害阻或喷微变央电阻旧）一、掌直流锅电阻定义二极舞管两栗端的包直流咸电压库UD与电千流ID之比IDIUUDD晶体越二极偿管二、努交流鬼电阻计rRLEDDuIQUUI或实质棋是特乌性曲供线静貌态工晚作点倡处的史斜率交流棒电导支：熊g=券dI获/d忍U=俱I/析UT交流辉电阻歼：r熄=1兰/g配=慎UT/I室温患下：字UT=2陈6m染v交流顷电阻舌：r=略26仇mv繁/档ID(m故A)晶体部二极息管的逐正向包交流晕电阻猴可由暴PN龄结电老流方葱程求羡出：由此防可得挣：晶体二极板管的琴电阻二极概管的问参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)极间电容CB二极闷管的瞒型号籍命名2.貌4二极歪管基啄本电组路及共其分叛析方瞧法二极然管V-I特性映的建爆模应用娇举例2.矿4.孩1二极戒管V-I特性酷的建储模1.理想模型3.折线模型2.恒压降模型正偏胆时导践通，群管压兼降为燥0V筐;反样偏时企截止上，电揭流为伶0。管子扔导通光后,傍管压踪蝶降认格为是伍恒定况的,妇典型大值为墓0.绕7V摘。管压决降不寻是恒胖定的厦,而值是随桶电流匹的增暖加而延增加债。4.年小身信号辈模型二极谷管工斜作在秃正向蒙特性滑的某软一小旅范围姜内时用，其顶正向尚特性来可以拳等效裤成一秩个微桂变电榜阻。即根据得Q趴点处稼的微脑变电借导则常温连下（T=3滋00狸K）2.既4.骗1二极诸管V-I特性西的建堡模5.傍指晒数模责型较完厅整且较管准确2.抚4.骡2应用云举例1.违二径极管冈的静激态工烘作情判况分疑析理想权模型（R=10k）（1）VDD=10V时恒压牢模型（硅二极管典型值）折线痛模型（硅二极管典型值）设（2）VDD=1V时（自看）例2屑.4群.2榨提毙示2.低4.备2应用惭举例2.会限辟幅电羽路2.弯5掉特雄殊二特极管稳压许二极威管变容饥二极捐管光电拦子器块件1.丛光电伏二极留管2.派发光停二极夫管2.司5.清1漏稳压涛二极笑管稳压丽特性稳压准原理：在赚反向街击穿烟时，犁电流乱在很悦大范革围内药变化尊时，笔只引召起很趴小的挪电压侦变化驶。正向凯部分怜与普唉通二骂极管纽奉相同RZVZ稳压管稳压时必须工作在反向电击穿状态。当反为向电冈压加祖到一阔定值给时，雅反向敞电流府急剧嘴增加跨，产得生反煤向击及穿。(1岸)牌稳定株电压VZ(2肃)陈动态裂电阻rZ在规变定的婆稳压贸管反企向工门作电肝流IZ下，当所对都应的果反向梯工作抵电压鼓。rZ=VZ/IZ(3杰)最绢大耗部散功愿率PZM(4约)最袜大稳绪定工阿作电覆流IZm搞ax和最克小稳牲定工米作电喊流IZm阳in(5似)稳滑定电滔压温絮度系祝数—痒—VZ特性柜参数2.蓝5.他1锅稳压越二极笔管稳压乘管工那作时鸡应反滚接，坚并串拿入一像只电越阻。电阻疾的作汉用一坊是起限流火作用，以导保护翻稳压殖管。射二是钩当输撤入电很压或家负载军电流爪变化易时，泪通过捐电阻捧上压谊降的藏变化融，取出犹误差翼信号以调受节稳欣压管报的工贱作电壳流，蒸从而庭起到偿稳压趣作用轿。应用吵方法2.参5.拐1收稳压忠二极钟管稳压泪电路IZmin

≤IZ≤IZmaxVIVOIZIRVRVO变容珠二极宾管变容二极省管是利用爸结势发垒电修容C随外谈加电最压V床的变旋化而则变化胀的特舅点制师成的堪二极页管。符号清：注意芬：使用较时应露外加帽反向得电压0-V/VC/pF1、恶光悟电饲二畅极骨管光电脚二极开管是所有光捆照射缺时会决产生椒电流构的二酷极管螺。其结炸构和场普通然的二雷极管怨基本锦相同它利分用光杀电效牺应工贤作，决PN瞧结工搜作在矿反偏钉状态琴，当熟光照蹲射在江PN狗结上想时，游束缚量电子饼获得想光能飘变成骄自由恶电子谦，产盖生电油子—贤空穴柴对，骑在外蚕电场自的作催用下咳形成赏光电位流。D光电猴子器洪件应在席反压顷状态捏工作2、号发伯光漠二拍极脆管发光肠二极迎管是将电赔能转那换成枪光能蠢的特届殊半榜导体偏器件宇，它只有摊在加巴正向计电压震时才挪发光。~220Ve2iDuL一、整流待电路整流到电路贿是最床基本秧的将灾交流烈转换若为直哄流的饮电路鞋，1、暮半波蛮整流e2E2m+-iDuL整流必电路冤中的乎二极吧管是巧作为开关码运用撕，具烫有单珍向导钩电性锯。~220Ve2iDuL+-2.窗6衫二极起管的顺应用二极驴管应璃用2、夹全波木整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLe2’e2-+-+e2uL一、整流衣电路二极授管应腐用3、众桥式侧整流~220Ve2uL+-~220Ve2uL+-一、整流遮电路二极买管应佛用二、LE惨D显示论器abcdfgabcdefgabcdefg+5葱V共阳将极电茄路共阴谨极电扶路控制盲端为局高电课平对应腐二极部管发划光控制前端为翁低电谎平对应友二极筋管发箩光e小棋结1、半导枯体中扒有两代种载生流子至：电子扩和空恒穴。载篮流子君有两农种运抢动方辰式：扩散本运动锋和漂慢移运乡丰动。本征城激发使半吨导体股中产迫生电子悼-空驴穴对，但痛它们跌的数抓目很虚少，刑并与咳温度也有密提切关浊系。2、拨在本绑征半掠导体旺中掺枕入不井同的煌杂质喜,可挖分别朵形成P型反和N蓄型半加导体,它屡们是搂各种宽半导齐体器先件的愧基本冶材料凶。3、惠PN蛋结是傍各种症半导液体器澡件的乓基本恒结构情形式，如嚼二极无管由没一个恳PN麻结加巧引线拣组成悼。因节此，制掌握叉PN知结的电特性厘对于泡了解相和使适用各石种半币导体笨器件尘有着蒙十分蠢重要推的意就义。PN恰结的筹重要尘特性严是单应向导唐电性悲。4、为合昏理选扫择和仰正确佣使用喇各种樱半导追体器