半导体二极管及其应用电路课件

半导体二极管及其应用电路

2.1半导体的基本知识

2.1.1半导体材料

自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝缘体、半导体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。它具有热敏性、光敏性和掺杂性。利用光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应管等.

常用的半导体材料有:

元素半导体:硅(Si)、锗(Ge)等。化合物半导体有：砷化镓（GaAs）等。掺杂或制成其它半导体的材料：硼(B)、磷(P)、铟(In)、锑(Sb)等。

2.1.2半导体的共价键结构

在电子器件中,用得最多的材料是硅和锗,硅和锗都是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为共价键结构。如图2.1.2所示。

图2.1.2硅和锗的二维晶格结构图，正离子核通过共价键与邻近的核相联接

图2.1.3由于随机热振动致使共价键被打破而产生电子-空穴对2.1.3本征半导体、空穴及其导电作用

本征半导体

当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这个空位称为空穴,如图2.1.3所示。

空穴

自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发,又称为热激发。由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作用下,邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转移到这个新的空位上,如图2.1.4所示。

图2.1.4电子与空穴的移动

为了区别于自由电子的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等,符号相反。由此可见,本征半导体中存在两种载流子:电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子——电子。本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同,如下图所示。2.1.4杂质半导体

1)P型半导体在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质,如硼（或铟）等。硼原子只有3个价电子,它与周围硅原子组成共价键时,因缺少一个电子,在晶体中便产生一个空穴,半导体成中性。这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具有导电性能。P型半导体共价键结构如图2.1.5所示。

图2.1.5

P型半导体的共价键结构

在P型半导体中,空穴数远远大于自由电子数,空穴为多数载流子(简称“多子”),自由电子为少数载流子(简称“少子”)。导电以空穴为主,故此类半导体又称为空穴型半导体。2)N型半导体

在纯净的半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如磷）后,就可成为N型半导体,如图2.1.6所示。在这种半导体中,自由电子数远大于空穴数,导电以电子为主,故此类半导体亦称电子型半导体。图2.1.6N型半导体的共价键结构

2.2PN结的形成及特性

1.PN结的形成

在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成P型半导体,另一边形成N型半导体。在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层,称为空间电荷区,并产生内电场,其方向是从N区指向P区,内电场的建立阻碍了多数载流子的扩散运动,随着内电场的加强,多子的扩散运动逐步减弱,直至停止,使交界面形成一个稳定的特殊的薄层,即PN结。因为在空间电荷区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此空间电荷区又称为耗尽层。图2.2.1载流子的扩散

2.PN结的单向导电特性

在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。

1)外加正向电压

给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏),如图2.2.3所示。由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区多数载流子向对方扩散,形成正向电流,此时PN结处于正向导通状态。

图2.2.3PN结加正向电压2)PN结反向偏置给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,P区接电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏),如图2.2.4所示。

图2.2.4PN结加反向电压

由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场,使PN结加宽,阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用下,只有少数载流子形成的很微弱的电流,称为反向电流。

应当指出,少数载流子是由于热激发产生的,因而PN结的反向电流受温度影响很大。

综上所述,PN结具有单向导电性,即加正向电压时导通,加反向电压时截止。

图2.2.5硅二极管PN结的V-I特性

3)PN结V-I特性的表达式(了解)

3.PN结的反向击穿(暂时了解)定义:

反向击穿(电击穿)、热击穿、雪崩击穿、齐纳击穿、碰撞电离、倍增效应、复习思考题：2.2.1-----2.2.4课堂练习.2.3半导体二极管

2.3.1半导体二极管的结构二极管的结构外形如图2.3.1(a),二极管的代表符号如图2.3.1(b),箭头指向为正向导通电流方向。

图2.3.1二极管结构、符号及外形举例

(a)结构；(b)符号;

2．类型

(1）按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。

(2）按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管。

(3）按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。

(4）按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。

(5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。图2.3.1二极管结构、符号及外形举例

(c)外形2.3.2二极管的V-I特性

半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的特性——单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。若以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来,就构成二极管的伏安特性曲线,如图2.2.2和2.3.3所示。下面对二极管伏安特性曲线加以说明。(复习思考题2.3.3)

0.20.40.60.8O51015－30－U(BR)CDIRAB硅iV/mAuV/V(mA)－5

图2.3.2硅二极管2CP10伏安特性曲线0.20.40.60.8O51015－30C′D′IRA′B′锗iV/mAuV/V(mA)－5

图2.3.3锗二极管2AP15伏安特性曲线

1.正向特性

二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小（几乎为零）,这一部分称为死区,相应的A(A′)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图2.3.2和2.3.3中OA(OA′)段。当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V,如图2.3.2和2.3.3中AB(A′B′)段。

二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值,否则将烧坏PN结。

2.反向特性二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流IR,见图2.3.2和2.3.3.中OC（OC′）段。

3.反向击穿特性

二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压,用UBR表示,如图2.3.2和2.3.3中CD(C′D′)段。

2.3.3二极管的参数

1.最大整流电流IF

2.反向击穿电压VBR

3.反向(饱和)电流IR

4.极间电容(了解)

(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD

附:

半导体二极管的命名方法

1.半导体器件的型号由五个部分组成如图所示。其型号组成部分的符号及其意义见附录一。如2AP9,“2”表示电极数为2,“A”表示N型锗材料,“P”表示普通管,“9”表示序号。

2.型号组成部分的符号及其意义

图半导体器件的型号组成二极管的简易测试(复习思考题2.3.2)

将万用表置于R×100或R×1k(Ω)挡（R×1挡电流太大,用R×10k(Ω)挡电压太高,都易损坏管子）。如下图所示,

万用表简易测试二极管示意图

(a)电阻小；(b)电阻大二极管使用注意事项

(1)二极管应按照用途、参数及使用环境选择。

(2)使用二极管时,正、负极不可接反。通过二极管的电流,承受的反向电压及环境温度等都不应超过手册中所规定的极限值。

(3)更换二极管时,应用同类型或高一级的代替。

(4)二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于2mm,以免造成引线折断或外壳破裂。

2.4二极管基本电路及其分析方法

2.4.1二极管正向V-I特性的建模

1.理想模型

2.恒压降模型

3.折线模型

4.小信号模型图1―13二极管特性曲线折线近似图1―14二极管半波整流电路

(a)电路；(b)输出波形

图1―15二极管门电路图1―16二极管限幅电路

(a)电路;(b)波形

图1―20示出了稳压管稳压电路,图中稳压管VZ并接在负载RL两端。由图可知(1―22)图1―20稳压管稳压电路图1―21光电二极管的符号及特性(a)符号;(b)光谱特性；(c)光照特性2.4.2模型分析法应用举例

1.二极管电路的静态工作情况分析例2.4.1图2.4.5(a)简单二极管电路(b)习惯画法RDVREFuiuo(a)2.限幅电路

图2.4.6(a)限幅电路(b)波形图＋6ui/V－6Wtuo/V00(d)Wt3.开关电路V12V11+__+5VVcc4.7kD1D2

开关电路(a)习惯画法(b)开关电路的理想模型

图2.4.7D1D2V11V124.7k4.低压稳压电源51页

例2.4.4

讨论(复习思考题2.5.2)2.5特殊二极管

前面主要讨论了普通二极管,另外还有一些特殊用途的二极管,如稳压二极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管等,现介绍如下。

2.5.1．齐纳二极管(稳压二极管)

稳压二极管的工作特性,稳压二极管简称稳压管,它的特性曲线和符号如图2.5.1所示。(a)

图2.5.1稳压二极管的特性曲线和符号

(a)符号(b)V-I特性；VUZDUZUBUAU/VODIZIZIA(IZmin)IB(IZmax)ABI/mA(b)

硅稳压管稳压原理电路如图2.5.2所示。

图中稳压管VDZ与负载电阻RL并联，在并联后与整流滤波电路连接时，要串联一个限流电阻R。由于VDZ与RL并联，所以也称并联稳压电路。以下讨论稳压电路工作原理。

(1)如果输入电压Ui不变而负载电阻RL减小，这时负载上电流IL要增加，电阻R上的电流IR=IL+IVDZ也有增大的趋势，则UR=RIR

也趋于增大，这将引起输出电压UO=UVDZ的下降。稳压管的反向伏安特性已经表明，如果UVDZ略有减小，稳压管电流IVDZ将显著减小，IVDZ的减少量将补偿IL所需要的增加量，使得IR基本不变，这样输出电压UO=Ui—RIR也就基本稳定下来。图2.5.2

当然，负载电阻RL增大时，IL减小，IVDZ增加，保证了IR基本不变，同样稳定了输出电压UO。

(2）如果负载电阻RL保持不变，而电网电压的波动引起输入电压Ui升高时，电路的传输作用使输出电压也就是稳压管两端电压也趋于上升。由稳压管反向特性知，IVDZ将显著增加，于是电流IR=IVDZ+IL加大，所以电压UR升高，即输入电压的增加量基本降落在电阻R上，从而使输出电压UO基本上没有变化，达到了稳定输出电压的目的，同理，电压Ui降低时，也通过类似过程来稳定UO。

稳压二极管的主要参数

(1)稳定电压UZ。稳定电压UZ即反向击穿电压。

(2)稳定电流IZ。稳定电流IZ是指稳压管工作至稳压状态时流过的电流。当稳压管稳定电流小于最小稳定电流IZmax时,没有稳定作用;大于最大稳定电流IZmax时,管子因过流而损坏。表2.5.1几种典型的稳压管的主要参数例2.5.1(参看55页)*2.5.2变容二极管

变容二极管是利用PN结电容可变原理制成的半导体器件,它仍工作在反向偏置状态。它的压控特性曲线和电路符号如图2.5.4所示。

图2.5.4变容二极管

(a)代表符号；(b)结电