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半导体二极管及其应用 1半导体的基本知识 1 1PN结 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体 半导体器件中用的最多的是硅和锗 半导体的特点 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 往纯净的半导体中掺入某些杂质 会使它的导电能力明显改变 1 1 1本征半导体 一 本征半导体的结构特点 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 本征半导体 化学成分纯净的半导体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99 9999999 常称为 九个9 它在物理结构上呈单晶体形态 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 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 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 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 这一现象称为本征激发 也称热激发 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的 称为电子空穴对 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去 称为复合 如图所示 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡 本征激发和复合的过程 2 本征半导体的导电机理 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 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 1 1 2杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 P型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为 空穴半导体 N型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 一 N型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 或锑 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子 每个磷原子给出一个电子 称为施主原子 多余电子 磷原子 N型半导体中的载流子是什么 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 二 P型半导体 空穴 硼原子 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 三 杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子与杂质浓度相等 1 1 3PN结 一 PN结的形成 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 P型半导体 N型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 空间电荷区 N型区 P型区 电位V V0 1 空间电荷区中没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴 N区中的电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 P区中的电子和N区中的空穴 都是少 数量有限 因此由它们形成的电流很小 注意 二 PN结的单向导电性 PN结加上正向电压 正向偏置的意思都是 P区加正 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置的意思都是 P区加负 N区加正电压 1 PN结正向偏置 P N 内电场被削弱 多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流 2 PN结反向偏置 N P 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 R E PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 3PN结方程 其中 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K 三 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时 反向电流突然快速增加 此现象称为PN结的反向击穿 热击穿 不可逆 电击穿 可逆 四 PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应 结电容 它由两方面的因素决定 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD 1势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的 当外加电压使PN结上压降发生变化时 离子薄层的厚度也相应地随之改变 这相当PN结中存储的电荷量也随之变化 犹如电容的充放电 势垒电容的示意图如下 扩散电容是由多子扩散后 在PN结的另一侧面积累而形成的 因PN结正偏时 由N区扩散到P区的电子 与外电源提供的空穴相复合 形成正向电流 刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近 形成一定的多子浓度梯度分布曲线 2扩散电容CD 反之 由P区扩散到N区的空穴 在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线 扩散电容的示意图如下页所示 扩散电容示意图 当外加正向电压不同时 扩散电流即外电路电流的大小也就不同 所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同 这就相当电容的充放电过程 势垒电容和扩散电容均是非线性电容 都很小 正偏时扩散电容为主 反偏时势垒电容为主 2半导体二极管 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 点接触型 面接触型 高频 小电流 低频 大电流 半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 半导体二极管图片 2 1伏安特性 死区电压硅管0 5V 锗管0 1V 导通压降 硅管0 6 0 8V 锗管0 1 0 3V 反向击穿电压UBR 2 2二极管的等效电路 1 理想模型 3 折线模型 2 恒压降模型 4 小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时 其正向特性可以等效成一个微变电阻 即 根据 得Q点处的微变电导 则 常温下 T 300K Q 叠加 2 3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 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 4 微变电阻rD uD rD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 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 0 二极管的应用举例二极管半波整流 2 4稳压二极管 U IZ 稳压误差 曲线越陡 电压越稳定 UZ 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 3 动态电阻 稳压二极管的应用举例 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1 令输入电压降到下限时 流过稳压管的电流为Izmin 方程2 联立方程1 2 可