第五章 半导体二极管及其应用电路

电路与模拟电子学 模拟电路部分 第五章半导体二极管及其应用电路 5 1半导体的基本知识 5 2半导体二极管 5 3单向整流滤波电路 5 4稳压二极管及其稳压电路 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 5 1半导体的基本知识 半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有不同于其它物质的特点 例如 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 本征半导体 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 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 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 自由电子 空穴 束缚电子 在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程 当温度一定时 两种状态达到动态平衡 即本征激发产生的电子 空穴对 与复合的电子 空穴对数目相等 这种状态称为热平衡状态 由于本征半导体在室温下每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现 即电子与空穴成对产生 称之为电子 空穴对 热平衡载流子的浓度 2 本征半导体的导电机理 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 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 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 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 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 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 1 2PN结及半导体二极管 半导体器件的核心是PN结 半导体二极管是单个PN结 半导体三极管具有两个PN结 场效应管的基本结构也是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 都是少子 数量有限 因此由它们形成的电流很小 注意 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 一 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 二 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结的温度特性 实验证明 在室温下 温度每升高1 在同一正向电流下 PN结正向压降减小2 2 5mV 温度每升高10 反向饱和电流大约增加1倍 所以当温度升高时 少数载流子的数目增多 反向饱和电流随之增大 PN结的正向特性曲线向左移动 反向特性曲线向下移动 当PN结外加反向电压时 流过PN结的反向电流很小 但当反向电压不断增大 超过某一电压值时 反向电流将急剧增加 这种现象称为PN结的反向击穿 反向电流急剧增加时所对应的反向电压U BR 称为反向击穿电压 PN结的击穿特性 PN结产生反向击穿有两种类型 雪崩击穿和齐纳击穿 在掺杂浓度较低的PN结中 随着反向电压逐渐增大 空间电荷区 即阻挡层 变宽 内电场加强 使参加漂移运动的载流子加速 动能加大 当反向电压增大到一定数值时 载流子获得的动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来 产生电子 空穴对 新产生的载流子被电场加速后 又碰撞其它中性原子 又产生新的电子 空穴对 如此连锁反应 造成载流子急剧增多 使反向电流 滚雪球 般地骤增 通常将这种反向击穿称为雪崩击穿 雪崩击穿 雪崩击穿的击穿电压较高 其值随掺杂浓度的降低而增大 当PN结两边的掺杂浓度很高时 阻挡层将变得很薄 这时只要加上不大的反向电压 如4V以下 阻挡层就可能获得2 10 6V cm以上的电场强度 该场强足以直接破坏共价键 把价电子从共价键中拉出来 从而获得大量的电子 空穴对 引起PN结中的反向电流急剧增大 这种反向击穿现象称为齐纳击穿 齐纳击穿 齐纳击穿的反向击穿电压较低 且随着掺杂浓度的增高而减小 通常情况下 反向击穿电压在7V以上属于雪崩击穿 4V以下属于齐纳击穿 在4 7V之间的击穿则两种情况都有 无论哪种击穿 只要PN结不因电流过大而产生过热损坏 当反向电压降到击穿电压以下 均指绝对值 时 其性能又可恢复到击穿前的情况 当击穿电流超过一定的范围 使PN结上的耗散功率超过其额定耗散功率时 PN结将会烧毁 这种现象称为热击穿 当PN结正偏时 PN结导通 电阻很小 当PN结反偏时 PN结截至 电阻较大 PN结表现出非线性电阻特性 PN结的电阻特性 热击穿前发生的击穿称为电击穿 齐纳击穿和雪崩击穿都属于电击穿 电击穿是可逆的 但热击穿是不可逆的 二极管的电容特性 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 PN结的结电容Cj为势垒电容Cb和扩散电容Cd之和 即 当PN结正向偏置时 PN结结电容以扩散电容为主 Cj Cd 其值为几十皮法到几千皮法 当PN结反向偏置时 PN结结电容以势垒电容为主 Cj Cb 其值为几皮法到几十皮法 当PN结反偏时 结电阻较大 PN结本应不导通 若作用于PN结的交变电压频率高到一定程度 使 PN结的高频等效电路及最高工作频率 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 则PN结即使反偏也导通 即单向导电性被破坏 5 2半导体二极管 基本结构 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 半导体二极管实物图片 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压UBR 死区电压硅管0 5V 锗管0 1V 伏安特性 主要参数 1 正向特性与最大整流电流IFM 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 反向特性与反向电流IR 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 3 反向击穿特性与最大工作电压URM 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 二极管反向击穿时的电压值称为击穿电压 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URM一般是UBR的一半 半导体二极管的等效电路 1 理想二极管等效电路 理想模型 a U I特性 b 代表符号 2 考虑正向压降的等效电路 考虑正向压降模型 a U I特性 b 代表符号 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 5 3单相整流滤波电路 单相半波整流电路 二极管导通 忽略二极管正向压降 uo u2 为分析简单起见 把二极管当作理想元件处理 即二极管的正向导通电阻为零 反向电阻为无穷大 二极管截止 uo 0 u2 0时 u2 0时 单相半波整流电压波形 输出电压平均值 Uo 输出电流平均值 Io Io Uo RL 0 45U2 RL 二极管上的平均电流及承受的最高反向电压 单相桥式整流电路 组成 由四个二极管组成桥路 u2正半周时电流通路 D1 D3导通 D2 D4截止 u2负半周时电流通路 D2 D4导通 D1 D3截止 u2 0时 D1 D3导通D2 D4截止电流通路 a D1 RL D3 b u2 0时 D2 D4导通D1 D3截止电流通路 b D2 RL D4 a 单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形 整流输出电压平均值 Uo 0 9U2 负载电流平均值 Io Uo RL 0 9U2 RL 二极管平均电流 ID Io 2 几种常见的硅整流桥外形 滤波电路 滤波电路的结构特点 电容与负载RL并联 或电感与负载RL串联 交流电压 脉动直流电压 直流电压 电容滤波电路 以单向桥式整流电容滤波为例进行分析 其电路如图所示 电容滤波原理 RL接入 且RLC较大 时 忽略整流电路内阻 无滤波电容时的波形 加入滤波电容时的波形 为了得到较好的滤波效果 C应满足 T 电源电压的周期 优点 电路简单 负载直流电压较高 纹波较小 缺点 输出特性较差且存在浪涌电流 故适用于负载电压较高 负载变动不大的场合 电容滤波 电感滤波电路 电路结构 在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路 电感滤波原理 对谐波分量 f越高 XL越大 电压大部分降在XL上 因此 在输出端得到比较平滑的直流电压 对直流分量 XL 0相当于短路 电压大部分降在RL上 稳压二极管 U IZ 稳压误差 曲线越陡 电压越稳定 UZ 5 4稳压二极管及其稳压电路 4 稳定电流IZ 最大 最小稳定电流Izmax Izmin 5 最大允许功耗 稳