第2章半导体二极管及其基本应用电路

1、第第2章章 半导体二极管及其基本应用电路半导体二极管及其基本应用电路 2.1 引言引言 2.2 半导体基础知识半导体基础知识 2.3 PN结结 2.4 半导体二极管半导体二极管 2.5 稳压二极管稳压二极管 2.6 其他类型二极管其他类型二极管2.1 引言引言 1.杂质半导体的导电性能强于本征半导体吗？为什么温杂质半导体的导电性能强于本征半导体吗？为什么温度能够影响半导体的导电性？度能够影响半导体的导电性？ 2.PN结为什么具有单向导电性？当温度升高时，结为什么具有单向导电性？当温度升高时，PN结结的伏安特性曲线如何变化？的伏安特性曲线如何变化？ 3.半导体二极管的理想模型、恒压降模型、折线化

2、模型半导体二极管的理想模型、恒压降模型、折线化模型和小信号模型各适用于什么场合？和小信号模型各适用于什么场合？ 4.稳压二极管是利用了稳压二极管是利用了PN结的什么特性而制作的？在稳结的什么特性而制作的？在稳压二极管稳压电路中限流电阻起什么作用？压二极管稳压电路中限流电阻起什么作用？ 5.发光二极管、光电二极管、肖特基二极管、变容二极发光二极管、光电二极管、肖特基二极管、变容二极管的工作原理如何？它们适用于什么场合？管的工作原理如何？它们适用于什么场合？2.2 半导体基础知识半导体基础知识2.2.1 本征半导体本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体纯净的具有晶体结构的半导体导体：导体：自然界中

3、很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。1.导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体PNJunction半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以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。

4、例如：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，当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，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。会使它的导电能力明显改变。光敏器件光敏器件二极管二极管+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体称为本征半导体 将硅或锗材料提纯将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它便形成单晶体，它的原子结构为共价的原子结构为共价键结构。键结构。价价电电子子共共价价键键本征半导体结构示意图本征半导体结

5、构示意图2. 共价键结构共价键结构当温度当温度 T = 0 K 时，半导时，半导体不导电，如同绝缘体。体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ，将有少数价，将有少数价电子克服共价键的束缚成电子克服共价键的束缚成为为自由电子自由电子，在原来的共，在原来的共价键中留下一个空位价键中留下一个空位空穴。空穴。T 自由电子自由电子和和空穴空穴使使本本征半导体具有导电能力，征半导体具有导电能力，但很微弱。但很微弱。空穴可看成带正电的空穴可看成带正电的载流子。载流子。3. 两种载流子两种载流子2.

6、2.22.2.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体1. N 型半导体型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价价杂质元素，如杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体型半导体( (或称电子型或称电子型半导体半导体) )。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。 本征半导体掺入本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价个价

7、电子，其中电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度。自由电子浓度远大于空穴的浓度。电子称为多数载流子电子称为多数载流子( (简称多子简称多子) )，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子( (简称少子简称少子) )。5 价杂质原子称为价杂质原子称为施主原子。施主原子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子N 型半导体型半导体2. P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少

8、量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价价杂质元素，如杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空穴浓度多于电子浓空穴浓度多于电子浓度。度。空穴为多数载流子空穴为多数载流子，电子为少数载流子。电子为少数载流子。3 价杂质原子称为价杂质原子称为受主原子。受主原子。受主受主原子原子空穴空穴P 型半导体型半导体说明：说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方

9、法如下图所示。2. 杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另型半导体，另一侧掺杂成为一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。 PNPN结结PN 结的形成结的形成1. PN 结的形成结的形成2.3PN结结 P

10、N 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN 扩散运动扩散运动扩散运动扩散运动形成空间电形成空间电荷区荷区电 子 和 空 穴电 子 和 空 穴浓度差形成浓度差形成多数多数载流子的扩散运载流子的扩散运动。动。 PN 结，耗结，耗尽层。尽层。PN空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒电位壁垒； 内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。漂移运动漂移运动内电场有利内电场有利于少子运动于少子运动漂漂移。移。 少子的运动少子的运动

11、与多子运动方向与多子运动方向相反相反 阻挡层阻挡层扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。于零，空间电荷区的宽度达到稳定。对称结对称结即即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN不对称结不对称结1. 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内

12、电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PN什么是什么是PN结的单向结的单向导电性？导电性？有什么作用？有什么作用？在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2. 外加反向电压外加反向电压反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运

13、动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 I ；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。耗尽层耗尽层PN 结加反相电压时截止结加反相电压时截止 反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS综上所述：综上所述： 当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，正向电流，

14、 PN 结处于结处于 导通状态导通状态； 当当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，几乎等于零， PN 结处于结处于截止状态截止状态。 可见，可见， PN 结具有单向导电性。结具有单向导电性。)1e(STDUuIiIS ：反向饱和电流：反向饱和电流UT ：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温( (300 K) )下，下， UT 26 mVq：为电子电量：为电子电量T：为热力学温度：为热力学温度k：为玻耳兹曼常数：为玻耳兹曼常数PN结所加端电压结所加端电压u与流过的电流与流过的电流i的关系为的关系为2.3.3 PN结的伏安特性结的伏安特

15、性qkTUTi = f ( (u ) )之间的关系曲线。之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/ mAu / V正向特性正向特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性PN结的伏安特性结的伏安特性反向击穿反向击穿齐纳击穿齐纳击穿雪崩击穿雪崩击穿2.3.4 PN结的电容效应结的电容效应当当PN上的电压发生变化时，上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量结中储存的电荷量将随之发生变化，使将随之发生变化，使PN结具有电容效应。结具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1. 势垒电容势垒电容Cb是由是

16、由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。( (a) ) PN 结加正向电压结加正向电压（b) ) PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+ UV空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示：lSUQC ddb由于由于 PN 结结 宽度宽度 l 随外加随外加电压电压 u 而变化，因此而变化，因此势垒电容势垒电容 Cb不是一个常数不是一个常数。其。其 Cb = f ( (U) ) 曲线如图示。

17、曲线如图示。 ：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数；S ：结面积；：结面积；l ：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。OuCb2. 扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，在某个正向电压下，P 区中的电子浓度区中的电子浓度 np( (或或 N 区的空穴浓度区的空穴浓度 pn) )分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所示。所示。x = 0 处为处为 P 与与 耗耗尽层的交界处尽层的交界处当电压加大，当电压加大，np ( (或或 pn) )会升高，会升高，如曲线如曲线 2 所示所示( (反之浓度会降低反之

18、浓度会降低) )。OxnPQ12 Q当加反向电压时，扩散运动被削弱，当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。扩散电容的作用可忽略。 Q正向电压变化时，变化载流子积累正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程放电的过程 扩散电容效应。扩散电容效应。PNPN 结结综上所述：综上所述：PN 结总的结电容结总的结电容 Cj 包括势垒电容包括势垒电容 Cb 和扩散电容和扩散电容 Cd 两部分两部分。Cb 和和 Cd 值都很小，通常为几个皮法值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。有些

19、结面积大的二极管可达几百皮法。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为作用，即可以认为 Cj Cd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。2.4 半导体二极管半导体二极管在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型二极管的几种二极管的几种外形外形点接触型二极管点接触型二极管(

20、a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图2.4.1 二极管的结构类型二极管的结构类型 PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和变电容小，用于检波和变频等高频电路。频等高频电路。平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造工艺中。工艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底4二极管

21、的代表符号二极管的代表符号(d) 代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 aD2.4.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的伏安伏安特性特性+iDvD-R正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性开启电压：开启电压：0.5V导通电压：导通电压：0.70 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/

22、 AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的伏安伏安特性特性UonU(BR)开启电压：开启电压：0.1V导通电压：导通电压：0.2V温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感，二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。具有负温度系数。 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.020温度增加温度增加2.4.3 二极管的参数二极管的参数(1) 最大整流电流最大整流电流IF(2) 反向击穿电压反向击穿电压

23、U（BR）和最高反向工作电压和最高反向工作电压URM(3) 反向电流反向电流I IR R(4) 最高工作频率最高工作频率f fM M 在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。条件，选择满足要求的二极管。2.4.4 二极管等效电路二极管等效电路 1. 理想模型理想模型 2. 恒压降模型恒压降模型3. 折线模型折线模型4. 小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，二极管工作在正向特性的某一小范

24、围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr 即即)1(/SDD TUueIi根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导TQUuTQUIeVIdudigTD/SDDdD Ddd1IUgrT 则则常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIUrT 二极管的微变等效电路二极管的微变等效电路 应用举例应用举例 二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k ）VDD=10V 时时mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值）（

25、硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5 . 0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr设设V 69. 0DDthD rIVV+ DiDVDD+ DiDVDDVD+ DiDVDDrDVth2.4.5 二极管基本应用电路二极管基本应用电路1. 整流电路整流电路22U电路图电路图22U2. 限幅电路限幅电路3. 开关电路开关电路uC/VuB/VuA/VuP/V10000.720050.730500.740550.755000.765050.775500.7855552.5 稳压二极管稳压二极管2.5.1 稳压二极管的伏安特性稳压二极管

26、的伏安特性(a)符号符号(b)2CW17 伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。DZ(1) 稳定电压稳定电压UZ(2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流工作电流IZ下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rZ = VZ / IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)温度系数温度系

27、数 2.5.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数 1.稳压原理稳压原理正常稳压时正常稳压时 UO =UZUI UOUZ IZUOUR IR 如电路参数变化？如电路参数变化？+R-IR+-RLIOVOVIIZDZUOUI2.5.3 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路2.限流电阻的确定限流电阻的确定（1）. 当电网电压最高和负载电流最小时，稳压管当电网电压最高和负载电流最小时，稳压管IZ 的值最大，此时的值最大，此时 IZ 不应超过允许的最大值，即不应超过允许的最大值，即ZmaxLminZImaxIIRUU 或：或：LminZmaxZImaxminIIUUR（2）. 当电网电压最低和负载电流最大时，稳压管当电网电压最低和负载电流最大时，稳压管IZ 的值最小，此时的值最小，此时 IZ 不应低于其允许的最小值，即不应低于其允许的最小值，即ZminLmaxZIminIIRUU 或：或：LmaxZminZIminmaxIIUUR