半导体二极管

第一章半导体二极管1.1半导体的基本知识1.2半导体二极管1.3半导体二极管的基本应用电路1.4串联式稳压电路1.5

集成开关式稳压电路

1.1半导体的基本知识

在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。

本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。一.本征半导体

本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。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”。

这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。空穴

可见本征激发同时产生电子空穴对。

外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。

动画演示

与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对半导体中有两种载流子:自由电子和空穴自由电子空穴自由电子带负电荷逆电场运动电子流动画演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－＋总电流载流子空穴带正电荷顺电场运动空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制在外电场作用下，电子的定向移动形成电流++++++++--------在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流++++++++--------1.本征半导体中载流子为电子和空穴;2.电子和空穴成对出现,浓度相等;3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导体的导电性和温度有关,对温度很敏感。总结二.杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1.

N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。

N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.

P型半导体硼原子硅原子杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——本征激发产生，与温度有关多子浓度——掺杂产生与，温度无关内电场E

因多子浓度差

形成内电场

多子的扩散

空间电荷区

阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层三.PN结及其单向导电性

1.PN结的形成

动画演示少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒UO硅0.5V锗0.1V2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流

(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3.PN结的伏安特性曲线及表达式

根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆

根据理论分析：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q

称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数

1.38×10－23q

为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。当u>0u>>UT时当u<0|u|>>|UT

|时4.PN结的电容效应

当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。

(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD

当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）1.2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-

二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(3)平面型二极管

用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管

PN结面积大，用于低频大电流整流电路。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：2AP9用数字代表同类器件的不同规格（序号）。代表器件的功能类别，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料和类型，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。

一、半导体二极管的V—A特性曲线

硅：0.5V

锗：

0.1V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅：0.7V锗：0.3V二.二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kΩD—非线性器件iuRLC—线性器件二极管的模型DU串联电压源模型UD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。理想二极管模型正偏反偏导通压降二极管的V—A特性二极管的近似分析计算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串联电压源模型测量值9.32mA相对误差理想二极管模型RI10VE1kΩ相对误差0.7V例：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。

(1)若ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo解：（1）采用理想模型分析。

采用理想二极管串联电压源模型分析。（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。三.二极管的主要参数

(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR———

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。

(3)反向电流IR——

在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管在纳安(nA)级；锗二极管在微安(

A)级。当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压四、稳压二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管（面结型、硅、高掺杂）正向同二极管反偏电压≥UZ

反向击穿＋UZ－限流电阻稳压二极管稳压原理UoDZRILUiRLIRIZIR=IZ+IC(1)UiUoIZIRURUo(2)UiUoIZIRURUo(3)Ui不变RLRLILIRUoIZIZ=IL总电流不变，输出电压不变

稳压二极管的主要

参数

(1)稳定电压UZ——(2)动态电阻rZ

——

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

rZ=

U

/

I

rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡,稳压性能越好。

(3)最小稳定工作电流IZmin——

保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。

(4)最大稳定工作电流IZmax——

超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。使用稳压二极管的注意事项（1）必须工作在反向击穿状（2）流过稳压管的电流在IZ和IZM之间（3）稳压管可以串联使用，串联后稳压值为各管稳压值之和。不能并联使用串联使用举例课本p/10（5）温度系数ɑ可正可负，4-7伏最小。五光电二极管结构与工作原理:光电二极管又叫光敏二极管，它是一种将光信号转化为电信号的器件。其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。

光电二极管工作在反偏状态下，当无光照时，与普通二极管一样，反向电流很小，称为暗电流。当有光照时，其反向电流随光照强度的增加而增加，称为光电流。(a)图形符号(b)特性曲线需光照、反偏压、其反向电流与光照度成正比。用于光测量，将光信号－－电信号，光电传感器、遥控、报警电路中。六发光二极管（1）结构和工作原理。发光二极管简写为LED（LightEmittingDiode）。是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成,当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。（2）优点：发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小（10~30mA）、发光均匀稳定、响应速度快和寿命长等优点。(a)图形符号(b)外形1.3半导体二极管的基本应用电路三、单向桥式整流滤波电路一、限幅电路二、钳位电路一、限幅电路(a)电路图(b)波形图利用单向导电性和导通后两端电压基本不变的特性二、钳位电路uoABR0D2D1+12V将输出电压钳在一定数值上UA

=5VUB

=0VUo

=0.7VD2优先导通D1反向截止1.

桥式整流电路（1）组成：由四个二极管组成桥路u2正半周时:D1

、D3导通，D2、D4截止+–（2）工作原理：u2uL三、单向桥式整流滤波电路-+u2负半周时：D2、D4

导通，D1

、D3截止u2uL输出电压平均值：输出电流平均值:IL=UL/RL=0.9u2

/RL

流过二极管的平均电流：ID=IL/2u2uL（3）主要参数：二极管承受的最大反向电压：URM=22u脉动系数Ｓ1:用傅氏级数对桥式整流的输出uL

分解后可得:uL

20t基波基波峰值输出电压平均值集成硅整流桥：u2uL+

–

~+~-

+–

电容滤波2.滤波电路（1）空载（RL=∞）时：u2tuLtuc=uLu2＞uC时：二极管导通，C充电u2＜uC时：二极管截止，C放电。由于RL=∞，无放电回路，所以uC保持。u2＜uC时：二极管截止，C放电。（2）接入RL（且RLC较大）时u2tiDtu2＞uC时：二极管导通，C充电二极管中的电流uc=uL近似估算:UL=1.2U2(b)流过二极管瞬时电流很大整流管导电时间越短

iD的峰值电流越大电容滤波电路的特点：(a)UL与RLC的

关系：RLC愈大

C放电愈慢

UL(平均值)愈大RLC较大一般取：(T:电源电压的周期)u2tiDtuc=uL1.4

串联式稳压电路稳压电路的作用:交流电压脉动直流电压整流滤波有波纹的直流电压稳压直流电压电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。直流稳压电源的组成和功能整流电路滤波电路稳压电路整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo一.稳压电路的主要性能指标常用以下参数来说明稳压电源的质量：1、稳压系数2、输出电阻3、温度系数输出电压：二.稳压管稳压电路1.稳压原理——利用稳压管的反向击穿特性。

由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。稳压原理：(1)当输入电压变化时UiUZUoUoURIIZ由图知：(2)当负载电流变化时稳压过程：

ILUoURUoIZIR2、限流电阻的计算（1）当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值。

即：可得：

（2）当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。

即：

所以：可得：

常用的集成三端稳压器的外形及类型1端:输入端2端:公共端3端:输出端1231.基本使用方法+20V+15V注意：输入电压Ui一般应比输出电压端Uo高3V以上。三.

三端固定式集成稳压器的使用

C1、C2的作用：防止自激振荡，减小高频噪声、改善负载的瞬态响应。2.输出正负电压3.输出电压可调由：可得：1.三端可调式稳压器W117的内部结构：四.

三端可调式集成稳压器

电阻R1和R2为外接电阻，忽略基准源电流，则有：电容C1

：防止自激。电容C2：减小电阻R2上的电压波