《半导体二极管及》课件

第二章

半导体二极管及应用电路1第二章

半导体二极管及1§2-1半导体基础知识（一）半导体2.1.1半导体材料其导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体具有某些特殊性质：如压敏热敏及掺杂特性，导电能力改变。2§2-1半导体基础知识22.1.2本征半导体，空穴及其导电作用一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。32.1.2本征半导体，空穴及其导电作用一、本征半导体的结构本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。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：4本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子5硅和锗的共价键结构共价键共+4+4+4+4+4表示除去价电子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+46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，常温下二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，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7二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子8+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子82.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。92.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空温度越高，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。10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（二）杂质半导体

杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P型半导体。一N型半导体：在本征Si和Ge中掺入微量V族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入V族元素称为施主杂质，简称施主（能供给自由电子）。右图（2-1）11（二）杂质半导体杂质半导体：在本征半导体中人为掺入

二P型半导体：在本征Si和Ge中掺入微量Ⅲ族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入Ⅲ族元素称为受主杂质，简称受主（能供给自由电子）。下图所示（图2-2）

P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。

12二P型半导体：12三杂质半导体的载流子浓度：少量掺杂，平衡状态下：ni2=n0·p0

其中，ni

为本征浓度，n0

为自由电子浓度，p0

为空穴浓度图2-3杂质半导体的电荷模型，图中少子未画出来。温度增加，本征激发加剧，但本征激发产生的多子远小杂质电离产生的多子。★半导体工作机理：杂质是电特性。★Si半导体比Ge半导体有更高的温度。因为同温度时，Si

半导体比Ge半导体本征激发弱，更高的温度时Si半导体才会失去杂质导电特性。13三杂质半导体的载流子浓度：13§2-2PN结的形成及特性★PN结：将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。PN结的形成：▼内建电场：由N区指向P区的电场E。阻止两区多子的散。电场E产生的两区少子越结漂移电流将部分抵消因浓度差产生的使两区多子越结的扩散电流。扩散进一步进行，空间电荷区内的暴露离子数增多，电场E增强，漂移电流增大，当扩散电流=漂移电流时，达到平衡状态，形成PN结。无净电流流过PN结。

14§2-2PN结的形成及特性★PN结：将P型和N型半导PN结的形成15PN结的形成15PN结形成过程分解：16PN结形成过程分解：162.2.1PN结的单向导电特性：无外接电压的PN结→开路PN结，平衡状态PN结

PN结外加电压时→外电路产生电流正向偏置（简称正偏）PN结：

PN结外加直流电压V：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负电位）→正偏→正向电流172.2.1PN结的单向导电特性：17PN结加正向电压的情形18PN结加正向电压的情形181919－－－－++++REPN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。20－－－－++++REPN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_2反向偏置（简称反偏）

PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。＊硅PN结的Is

为pA级＊温度T增大→Is

212反向偏置（简称反偏）21PN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。RE22PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内PN结加反向电压的情形23PN结加反向电压的情形233PN结的伏安特性

PN结的伏安特性曲线：图2-4伏安特性曲线（2-4）对应表:243PN结的伏安特性243.PN结的反向击穿

二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。

击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。

齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子－空穴对，致使电流急剧增加。

雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。

对于硅材料的PN结来说，击穿电压〉7v时为雪崩击穿，<4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。

*击穿并不意味着PN结烧坏。253.PN结的反向击穿

二极管处于反向偏置时，在一定的电压范§2-3半导体二极管26§2-3半导体二极管26么么么么方面Sds绝对是假的么么么么方面Sds绝对是假的2.1.3

半导体二极管一、基本结构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PN二极管的电路符号：282.1.3半导体二极管一、基本结构PN结加上管壳和引线，

二、伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR29二、伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通三、主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。30三、主要参数1.最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许3.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。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。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。313.反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。4.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。324.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是PN结的电流方程PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为：其中Is为反向饱和电流，UT为kt/q，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量，常温下，T＝300K时，UT可取26mv对于二极管其动态电阻为：33PN结的电流方程PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为：5.二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。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+-N345.二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CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。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rd35CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流36二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)§2-4二极管基本电路及其分析方法1整流电路：图2-5整流：利用二极管的单向导电特性，将交流变成单向（即直流）脉动电压的过程，称为整流。图2-537§2-4二极管基本电路及其分析方法1整流电路：图2▼图2-6为典型的单相半波整流电路。

分析如下：

（1）当vi(t)﹥0→

二极管正偏（2）当vi(t)﹤0→

二极管反偏2-638▼图2-6为典型的单相半波整流电路。

分析如下：（1）当v2-7392-7392限幅电路：（1）双向限幅电路：如下图，设vi(t)=3sinωt402限幅电路：403钳位电路：能改变信号的直流电压成分，又叫直流恢复电路。图2-8。设vi(t)是±2.5V的方波信号2-9（b）2-8413钳位电路：2-8412-8422-842§2.5特殊二极管2.5.1稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ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。43§2.5特殊二极管2.5.1稳压二极管UIIZIZmax

专门工作与反向击穿状态的二极管→稳压管。电路符号图2-10（b），特性曲线图2-10（a）。

1稳压管的参数：⑴稳定电压Vz⑵最小稳定电流IzMIN

：⑶最大稳定电流IzMAX

：⑷动态电阻rz

：⑸动态电阻的温度系数α：4444（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45（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数: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。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146稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：47令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方2稳压管应用电路：图2-11RL：负载电阻；R：限流电阻；要求输入电压VI＞VZ

用负载线法分析：

画出等效电路图2-12（a）求出稳压管的负载线图2-12（b）：2-11482稳压管应用电路：图2-112-11482-12492-12492.5.2变容二极管：

利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管→变容二极管，简称变容管。图2-13为变容管电路符号。图2-14为变容管压控特性曲线。2-132-14502.5.2变容二极管：2-132-14502.5.3.1光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加512.5.3.1光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。I2.5.3.2发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。522.5.3.2发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围

第二章结束53第二章结束53VkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNb4D1z-w&t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMa3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMF3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkTh54VkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK

第二章

半导体二极管及应用电路55第二章

半导体二极管及1§2-1半导体基础知识（一）半导体2.1.1半导体材料其导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体具有某些特殊性质：如压敏热敏及掺杂特性，导电能力改变。56§2-1半导体基础知识22.1.2本征半导体，空穴及其导电作用一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。572.1.2本征半导体，空穴及其导电作用一、本征半导体的结构本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。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：58本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子59硅和锗的共价键结构共价键共+4+4+4+4+4表示除去价电子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+460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，常温下二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，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61二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子62+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子82.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。632.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空温度越高，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。64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（二）杂质半导体

杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P型半导体。一N型半导体：在本征Si和Ge中掺入微量V族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入V族元素称为施主杂质，简称施主（能供给自由电子）。右图（2-1）65（二）杂质半导体杂质半导体：在本征半导体中人为掺入

二P型半导体：在本征Si和Ge中掺入微量Ⅲ族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入Ⅲ族元素称为受主杂质，简称受主（能供给自由电子）。下图所示（图2-2）

P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。

66二P型半导体：12三杂质半导体的载流子浓度：少量掺杂，平衡状态下：ni2=n0·p0

其中，ni

为本征浓度，n0

为自由电子浓度，p0

为空穴浓度图2-3杂质半导体的电荷模型，图中少子未画出来。温度增加，本征激发加剧，但本征激发产生的多子远小杂质电离产生的多子。★半导体工作机理：杂质是电特性。★Si半导体比Ge半导体有更高的温度。因为同温度时，Si

半导体比Ge半导体本征激发弱，更高的温度时Si半导体才会失去杂质导电特性。67三杂质半导体的载流子浓度：13§2-2PN结的形成及特性★PN结：将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。PN结的形成：▼内建电场：由N区指向P区的电场E。阻止两区多子的散。电场E产生的两区少子越结漂移电流将部分抵消因浓度差产生的使两区多子越结的扩散电流。扩散进一步进行，空间电荷区内的暴露离子数增多，电场E增强，漂移电流增大，当扩散电流=漂移电流时，达到平衡状态，形成PN结。无净电流流过PN结。

68§2-2PN结的形成及特性★PN结：将P型和N型半导PN结的形成69PN结的形成15PN结形成过程分解：70PN结形成过程分解：162.2.1PN结的单向导电特性：无外接电压的PN结→开路PN结，平衡状态PN结

PN结外加电压时→外电路产生电流正向偏置（简称正偏）PN结：

PN结外加直流电压V：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负电位）→正偏→正向电流712.2.1PN结的单向导电特性：17PN结加正向电压的情形72PN结加正向电压的情形187319－－－－++++REPN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。74－－－－++++REPN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_2反向偏置（简称反偏）

PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。＊硅PN结的Is

为pA级＊温度T增大→Is

752反向偏置（简称反偏）21PN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。RE76PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内PN结加反向电压的情形77PN结加反向电压的情形233PN结的伏安特性

PN结的伏安特性曲线：图2-4伏安特性曲线（2-4）对应表:783PN结的伏安特性243.PN结的反向击穿

二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。

击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。

齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子－空穴对，致使电流急剧增加。

雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。

对于硅材料的PN结来说，击穿电压〉7v时为雪崩击穿，<4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。

*击穿并不意味着PN结烧坏。793.PN结的反向击穿

二极管处于反向偏置时，在一定的电压范§2-3半导体二极管80§2-3半导体二极管26么么么么方面Sds绝对是假的么么么么方面Sds绝对是假的2.1.3

半导体二极管一、基本结构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PN二极管的电路符号：822.1.3半导体二极管一、基本结构PN结加上管壳和引线，

二、伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR83二、伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通三、主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。84三、主要参数1.最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许3.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。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。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。853.反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。4.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。864.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是PN结的电流方程PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为：其中Is为反向饱和电流，UT为kt/q，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量，常温下，T＝300K时，UT可取26mv对于二极管其动态电阻为：87PN结的电流方程PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为：5.二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。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+-N885.二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CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。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rd89CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流90二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)§2-4二极管基本电路及其分析方法1整流电路：图2-5整流：利用二极管的单向导电特性，将交流变成单向（即直流）脉动电压的过程，称为整流。图2-591§2-4二极管基本电路及其分析方法1整流电路：图2▼图2-6为典型的单相半波整流电路。

分析如下：

（1）当vi(t)﹥0→

二极管正偏（2）当vi(t)﹤0→

二极管反偏2-692▼图2-6为典型的单相半波整流电路。

分析如下：（1）当v2-7932-7392限幅电路：（1）双向限幅电路：如下图，设vi(t)=3sinωt942限幅电路：403钳位电路：能改变信号的直流电压成分，又叫直流恢复电路。图2-8。设vi(t)是±2.5V的方波信号2-9（b）2-8953钳位电路：2-8412-8962-842§2.5特殊二极管2.5.1稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ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。97§2.5特殊二极管2.5.1稳压二极管UIIZIZmax

专门工作与反向击穿状态的二极管→稳压管。电路符号图2-10（b），特性曲线图2-10（a）。

1稳压管的参数：⑴稳定电压Vz⑵最小稳定电流IzMIN

：⑶最大稳定电流IzMAX

：⑷动态电阻rz

：⑸动态电阻的温度系数α：9844（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99（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数: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。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1100稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：101令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方2稳压管应用电路：图2-11RL：负载电阻；R：限流电阻；要求输入电压VI＞VZ

用负载线法分析：

画出等效电路图2-12（a）求出稳压管的负载线图2-12（b）：2-111022稳压管应用电路：图2-112-11482-121032-12492.5.2变容二极管：

利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管→变容二极管，简称变容管。图2-13为变容管电路符号。图2-14为变容管压控特性曲线。2-132-141042.5.2变容二极管：2-132-14502.5.3.1光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加1052.5.3.1光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。I2.5.3.2发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。1062.5.3.2发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围

第二章结束107第二章结束53VkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNb4D1z-w&t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMa