第五章 半导体器件与二极管电路

半导体器件基础与二极管电路第五章第五章半导体器件基础与二极管电路5.1半导体二极管的工作原理与特性5.2二极管整流电路5.3二极管峰值采样电路5.4二极管检波电路5.1半导体二极管的工作原理与特性导体：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。

根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。5.1.1PN结及其单向导电性一、半导体的导电特性典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。（可做成温度敏感元件，如热敏电阻）光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。（可做成各种光电元件，如光电电阻、光电二极管、光电晶体管）掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。（可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管和晶闸管等）+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称为本征半导体

将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键二、本征半导体的晶体结构当温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴若T

，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。三、本征半导体中的两种载流子杂质半导体有两种N型半导体P型半导体1、N型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。四、杂质半导体本征半导体掺入5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5个价电子，其中4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。

见下页自由电子浓度远大于空穴的浓度，即n>>p。

电子称为多数载流子(简称多子)，

空穴称为少数载流子(简称少子)。5价杂质原子称为施主原子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子

2、吸P枝型班半导熟体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅尽或锗慨的晶示体中情掺入凡少量围的3锤价杂质视元素加，如短硼、脆镓、固铟等队，即遍构成P塑型半许导体。+3空穴怜浓度宪多于族电子裹浓度省，即p>>n。空穴姜为多钓数载艘流子，电获子为拖少数羞载流骑子。3闷价杂泽质原彩子称盆为受主始原子侮。受主面原子空穴在一及块半抛导体甚单晶征上一健侧掺贺杂成心为鹅P恳型半梅导体霸，另镜一侧等掺杂捉成为拢N登型镜半导狱体，识两个半区域皆的交则界处供就形筐成了蓬一个偿特殊赤的薄忌层，称为谋P拼N牲结。PNPN结五、P氧N结拐的形种成及汤其单放向导竿电性1、券P蹲N柜结中畏载流溉子的胜运动耗尽惕层空间电荷区PN①.鹿扩悄散运运动②.元扩窄散运芽动形饶成空咽间电弦荷区电子押和空非穴浓帽度差翁形成多数架载流染子的读扩散是运动挤。——宝P仔N晨结，环耗尽居层。PN③.忍空多间电堵荷区棍产生隐内电太场PN空间电荷区内电场Uho空间归电荷盖区正培负离赌子之示间电环位差Uho——电位蹲壁垒；——内电垄场；内梨电场枝阻止率多子幸的扩串散——阻挡来层。④.脊漂扁移运称动内电搞场有桨利于着少子失运动讽—漂移序。少子失的运氧动与响多子貌运动逼方向暴相反阻挡层⑤.妇扩参散与践漂移鲜的动唇态平片衡扩散朱运动浴使空搁间电饮荷区拜增大冷，扩冬散电肝流逐黄渐减限小；随着屈内电宵场的迈增强竖，漂魂移运公动逐搅渐增厅加；当扩岛散电洲流与看漂移碧电流助相等录时，旁PN书结籍总的含电流斑等于学零，孔空间壶电荷富区的油宽度涨达到矿稳定匆。对称饲结即扩散赴运动邀与漂社移运绸动达惯到动魔态平苗衡。PN不对货称结2、指P桑N陷结的摧单向论导电享性1.PN卧结外加叶正向支电压罗时处硬于导米通状煎态又称袍正向很偏置她，简宿称正牵偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。PN在妨PN眨结促加上霉一个寒很小芽的正始向电趣压，压即可喇得到佛较大颂的正资向电抹流，口为防怖止电帝流过伙大，内可接悠入电怨阻R。2.PN屋结外加盆反向掩电压灭时处茅于截相止状狭态(反偏)反向疼接法犁时，伸外电缘瑞场与扶内电转场的昏方向梢一致裤，增轻强了苍内电朋场的牺作用症；如下响图外电雪场使喂空间向电荷目区变遮宽；不利嫩于扩疮散运贺动，眠有利过于漂在移运储动，眉漂移思电流弊大于托扩散同电流翻，电束路中旅产生就反向疮电流I；由于兼少数蓝载流稿子浓份度很捎低，撒反向透电流浊数值训非常鄙小。耗尽层反向废电流斯又称反向损饱和每电流。对温梯度十绪分敏铃感，随着闲温度揭升高乓，IS将急灵剧增择大。PN外电场方向内电场方向VRIS综上庙所述宴：当另PN薯结匹正向缴偏置拾时，泡回路支中将宁产生中一个摸较大太的正峡向电荐流，甲P指N罗结处肆于导通塌状态；当剑PN沟结遥反向近偏置浪时，真回路牲中反罚向电冲流非医常小切，几种乎等友于零前，薯PN臭结婚处于截止条状态。可见没，沸PN刻结疾具有单向虽导电棉性。在P方N结鼠上加良上引婶线和斯封装茧，就许成为渣一个陪二极泽管。二极膊管按猴结构咬分有点接粘触型烤、面辽接触正型和痒平面劲型5.热1.逃2半导公体二刑极管厅的基振本结崇构1仙点肾接触迫型二贡极管(a)点接触型

二极管的结构示意图PN蓄结面运积小合，结军电容嫂小，垮用于怖检波贺和变协频等崭高频秀电路卷。3肿平目面型顺二极史管往往贡用于形集成岁电路盆制造智工艺冲中。互PN倡结音面积伞可大领可小已，用拣于高赏频整欢流和咽开关冒电路伯中。2撤面雨接触房诚型二思极管PN糖结面套积大坏，用絮于工蜜频大政电流弱整流满电路摄。(b)面接触型(c)平面型4铜二极咐管的稿代表倦符号D5.资1.奖3揭半导膀体二甜极管连的伏愤安特宵性及靠主要宣参数二极挪管的贼伏安逐特性恭曲线叔可用统下式宜表示硅二极管2CP10的伏安特性正向沸特性反向饶特性反向株击穿维特性开启沉电压萌：0歼.5事V导通败电压体：0来.7一、惧半导纠体二艳极管留的伏悦安特买性锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)开启缩慧电压狸：0恶.1暑V导通速电压依：0若.2衡V1.铸正贱向特懒性外加岭正向域电压不时，飘正向傍特性开的起粘始部轧分，汇正向紧电流模几乎沟为零替。这粗一段贡称为庸“雹死区毁”。窑对应诵于二棍极管肺开始驴导通佩时的愤外加掀电压洁称为漂“巴死区票电压源”。这锗管奏约为若0.象2V龄,馆硅管航约0梢.5来V。2.惕反俊向特电性外加婶反向扇电压均不超辩过一境定范灰围时显通过词二极捆管的逆电流英是少袖数载境流子得漂移笔运动戒所形填成的策很小债的反你向电割流，嗽称为反向杯饱和铸电流或漏电舌流。该腐电流匀受温黄度影鲜响很壁大。3.检击讽穿特探性外加闸反向祸电压腿超过意某一带数值求时，刷反向并电流羊会突逆然增装大，疏这种饮现象捕称为恼击穿馅（击挂穿时愤，二弦极管秋失去尾单向困导电栏性）住。单对应屿的电导压称允为击穿岭电压。1.理想模型2.折线模型3.斜线模型二、夜半导宽体二偶极管速的电势路模旷型(1通)不最大悦整流另电流IOM(2端)浸反向旁工作忍峰值纳电压UDM害R(3或)反向砖电流IR(4亭)垃最高亲工作士频率fM三、客半导田体二绑极管夺的主旦要参巧数二极住管长暑时间澡安全方工作留所允鱼许流先过的痕最大锯正向齐平均魄电流颗。由还PN倦结结杀面积洗和散防热条蒜件决插定，尼超过悟此值赴工作哗可能识导致络过热炸而损器坏。为保累证二纺极管袍不被昂反向泄击穿事而规罪定的影最大纠反向怕工作匆电压堂，一挪般为材反向斤击穿仅电压删的一离半。二极脾管未怕被击辱穿时角，流畜过二坟极管耐的反榆向电示流。府此值啊越小幻玉，单拴向导抽电性绍越好蜂。硅叠管优功于锗送管。二极秩管维匀持单麦向导完电性凯的最姑高工存作频永率。靠由于妙二极勤管中畅存在宇结电嗓容，鸡当频闸率很谎高时到，电巷流可女直接伙通过讨结电鄙容，亿破坏运二极奥管的竹单向导导电挂性。四、盟温度竹对二她极管尘伏安族特性读的影假响在环膀境温双度升端高时贞，二标极管嘴的正信向特斧性将对左移繁，反愧向特米性将枕下移侍。二极姜管的妥特性压对温怎度很尝敏感–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020温度增加在实宽际应含用中热，应袄根据旺管子夹所用资的场单合，兰按其欺所承咱受的河最高柳反向筐电压皇、最池大正为向平尽均电访流、红工作沟频率双、环烛境温井度等膀条件颠，选裕择满羽足要的求的韵二极护管。稳压印二极举管一、换稳压盈管的勇伏安勺特性(a)符号(b)2CW17伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。DZ(1俩)甲稳定艺电压UZ(2驶)松动态动电阻rZ在规叉定的单稳压闷管反穴向工弃作电栽流IZ下，鲁所对壤应的增反向栋工作羞电压竖。rZ=VZ/IZ(3究)最辩大耗柔散功陈率PZM(4门)最驻大稳绣定工厅作电播流IZm涂ax和最馒小稳界定工志作电惠流IZm跪in(5袄)温锅度系咬数—彩—VZ二、兼稳压漆管的抛主要妈参数一、氧发光携二极睁管LE维D(Li惧gh炕t门Em兵it董ti仰ng春D音io宗de)1.组符铃号和醉特性工作折条件智：正向宣偏置一般光工作草电流仍几十损m爸A，导通菜电压钳(犁12)款V符号u/Vi

/mAO2特性5.违1.息5浩其它宫类型撕的二傻极管发光堵类型偶：可见阔光：红、坏黄、者绿显示找类型总：普通谣L旺ED隆，不可武见光棚：红外吗光点阵墓L贯ED七段剂L湖ED边,二、仔光电警二极霉管符号忆和特工性符号特性uiOE=200lxE=400lx工作将原理凯：三、纷变容答二极坦管四、绝隧道稳二极药管五、粥肖特醉基二艰极管无光站照时蒙，与爹普通内二极峡管一走样。有光俱照时软，分只布在肺第三在、四仰象限均。对整召流电昂路要德研究换清楚织以下奸问题耕：1.筝电路粪的工烂作原殃理：扬二极兵管工拿作状仓态、遣波形款分析2.罩输出梁电压女和输膨出电披流的屿平均淹值：溪输出凑为脉挎动的激直流份电压3.翼整流嚼二极飞管的尸选择覆：二辅极管叉承受窜的最稠大整女流平临均电锈流和心最高海反向趋工作叶电压为分辅析问蒸题简贝单起应见，衬设二钞极管脸为理呢想二至极管掘，变瘦压器貌内阻鸦为0盆。整流舒二极道管的烧伏安梢特性吗：实际仍特性理想畜化特盛性正向功导通骗电压到为0暂，正祝向电真阻为恐0。5.榴2闹二极乓管整肚流电彻路一、辱工作朗原理u2的正朋半周疲，D罚导通淹，竹A→根D→RL→B炮，uO=u2。u2的负汉半周色，D连截止勤，承圆受反肥