四章半导体器件1二极管

第四章半导体器件4.1半导体二极管主要内容半导体物理特性二极管的结构分类半导体二极管的伏安特性二极管的主要参数二极管的电路模型及应用稳压二极管变容二极管4.1.1半导体物理特性导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体四族元素

（电阻率小于10－4Ωcm的物质为导体，载流子为自由电子）PN结的形成P型半导体：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；

N型半导体：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。

PN结的形成

采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。

一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称。半导体的导电性掺杂性

在纯净的半导体中适当参入微量杂质，半导体导电能力显著提高，如二极管、三极管和场效应管热敏性

半导体的导电能力随温度变换显著光敏性

当半导体表面的光线发生变换时，电阻率立刻发生很大变化4.1.2半导体的结构和分类半导体外形和实物二极管的分类按功能分：普通二极管和特殊二极管。普通二极管包括整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、快速二极管等；特殊二极管包括变容二极管、发光二极管、隧道二极管、触发二极管等按材料不同划分：硅管和锗管按制造工艺不同划分：a)点接触型b)硅面接触型c)硅平面型电路符号a)内部结构b)电路符号4.1.3半导体二极管的伏安特性伏安特性方程uDiD)(DDufi=其中：IS——反向饱和电流VT——温度电压当量且在常温下（T=300K）考察：当PN结正向偏置时：

当PN结反向偏置时：

TUUIiDeSD»-IiSD»TUUIideSD»近似呈现为指数曲线死区：硅管0.5V锗管0.1V导通后，进入线性区，导通电压VD

基本不变管压降VD约为:硅管0.7V锗管0.3V正向特性反向特性-IiSD»IS=硅管小于0.1微安锗管几十到几百微安截止区：在电路中相当于开关处于断开反向击穿区：电流急剧增加烧毁二极管利用，稳压管反向击穿电压：UBR

温度影响

在正向特性区，二极管的死区随温度的升高而缩小，正向导通电压降低。温度升高一摄氏度，正向导通电压下降2mV。

在反向特性区，随温度升高，反向击穿电压减小，反向饱和电流IS增大。温度每升高十摄氏度，IS增大约一倍。4.1.4主要参数器件的参数可以在产品手册中查2.最大反向电压UR:指二极管允许施加最大反向电压，一般为击穿电压的一半1.最大整流电流IF:指二极管正常工作时允许通过最大正向电流。3.反向电流IR:指二极管未被击穿时的反向电流值，此电流越小，说明二极管的单向导电性越好。4.最高工作频率fM:指二极管具有单向导电性的最高工作频率。由于PN结有电容效应，频率过高，单向性变差。4.1.5二极管的电路模型及应用理想二极管正向时无死区电压，直接导通；反向完全截至恒压降二极管正向导通后，恒定电压降：Ud，相当于串一电压源uDiDKuDPNVDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12V理想模型和恒压降模型举例例1

试求下图硅二极管电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO值解：假设二极管断开UP=15VUPN>0.7V，二极管导通，等效为0.7V的恒压源PNVDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VVDD1UO=VDD1

UD(on)=（15

0.7）V=14.3VIO=UO/RL=14.3V/3

kΩ

=4.8mAI1=IO+I2=（4.8+2.3）mA=7.1mAI2=(UO

VDD2)/R=(14.3

12)V/1

kΩ

=2.3mA解：假设二极管断开例1试求下图硅二极管电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO值0.7VUP=15VUPN>0.7V，二极管导通，等效为0.7V的恒压源二极管的应用由于二极管的单向导电性，使它可用于1.电源电路的整流2.无线电设备中的检波3.脉冲电路中的限幅和箝位4.数字电路中的逻辑元件整流电路是利用二极管的单向导电性，将交流电变换成方向不变、大小随时间变化的脉动直流电。根据电路形式分为半波整流、全波整流和桥式整流电路等。1.二极管的整流电路ui+-Duo+-RLuituot在整流电路中，由于电源电压远大于二极管的正向压降，因此可用二极管的理想模型来分析电路半波整流电压输出平均值参数要求：0πuot最高反向电压全波整流电路+_uOTru2+_u1ab+_RLD1D2D4D3单向桥式整流电路：全波整流电压、电流输出参数要求：2.二极管限幅电路ui+-Duo+-RUrUi<Ur时，D反偏，D相当于断开，Uo=UiuiUruo3.二极管检波电路调制的过程：u1tOutO高频振荡器调制器uotO用音频信号去控制高频信号的幅值检波电路高频放大器低频放大器DR2C1R1u1ui+–+–+–RouoC2C3uitOuotOu1tO检波的过程：从高频信号中，检出原来的被调制信号4.1.6稳压二极管UIIZIZmax

UZ

IZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。利用二极管的反向击穿特性的一种特制二极管+-20VZ1u0+-Z21K例题:Dz1和Dz2的稳定电压值分别为6V和12V，稳定电流是5mA，求输出电压u0解：Dz1导通，管压降为0.7V,Dz2反偏起稳压管的作用，故u0等于12.7V，回路电流为i=(20-12.7)/1k=7.3mAi>5mA，故稳压效果较好稳压管的主要参数⑴稳定电压Vz

：

反向电流工作时，二极管两端的电压值⑵最小稳定电流IzMIN：指稳压管起稳压作用时所需最小工作电流⑶最大稳定电流IzMAX

：若工作电流大于此电流，则二极管会发生热击穿，二极管损坏。⑷动态电阻rz

：在稳压范围内，稳压管端电压与通过电流变化量之比称为动态电阻，其值越小，稳压性越好。⑸动态电阻的温度系数aU：说明稳压值受温度影响的参数。(6)最大功率耗散求：电阻R和输入电压ui的正常值。稳压工作原理iiLRLDZuoiZRui例题稳压管的技术参数:负载电阻。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。——方程1

UO↓UI↑→UO↑→UZ↑

→IZ↑→I↑IR↑令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。联立方程1、2，可解得：iiLRLDZuoiZRui4.1.7变容二极管1.二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，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