《电路》-第7章 半导体二极管及其应用

7.1半导体的导电特性7.1.1半导体基础知识自然界的物质，按照其导电能力的大小可分为导体、绝缘体和半导体三大类。(1)导体:容易传导电流的称为导体。如金属。(2)绝缘体:电阻率很高的物质，不传导电流的称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。(3)半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间，并且受到外界光和热的刺激或加入微量的杂质时，导电能力将发生显著变化的物质称为半导体。如硅(Si)、锗(Ge)、砷化稼和一些硫化物、氧化物等。所以，通过半导体的定义，可得半导体两个明显的特点:①当受外界热和光的作用时，半导体的导电能力明显变化。②往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使半导体的导电能力明显改变。下一页返回7.1半导体的导电特性7.1.2本征半导体完全纯净的，结构完整的半导体晶体称为本征半导体。例如硅(}9i)、锗(Ge)。以硅(Si),锗(Ge)为例，来介绍本征半导体的导电机理。(1)最外层四个价电子，如图7一1一1所示。(2)共价键结构:如图7一1一2所示。当原子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构;同时共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。在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。(3)在绝对0℃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。如图7一1一2所示的共价键结构。上一页下一页返回7.1半导体的导电特性(4)在热或光激发下，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，如图7-1-3所示。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。(5)自由电子和空穴的运动形成电流:在其他力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，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，如图7一1-4所示。因此，本征半导体的导电机理可以归纳如下三个特点:①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。②本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。③温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力就越强。上一页下一页返回7.1半导体的导电特性7.1.3杂质半导体本征半导体中载流子的浓度很低，总的导电能力很差。但是通过扩散的工艺在本征半导体中掺入某些微量杂质，半导体的导体能力就会发生显著的改变。根据掺入杂质元素的性质不同，可以形成N型半导体和P型半导体。1.N型半导体在硅或锗晶体(四价)中掺入少量的五价杂质元素，例如磷、锑、砷等，可使原来晶格中的部分硅原子被杂质原子取代，促使自由电子浓度大大增加。如图7-1-5所示。N型半导体的特点:①多数载流子(多子):自由电子，它的浓度取决于掺杂浓度。②少数载流子(少子):空穴，它的浓度取决于温度。上一页下一页返回7.1半导体的导电特性2.P型半导体在硅或锗晶体(四价)中掺入少量的杂质三价元素，例如硼、稼、锢等，可使原来晶格中的部分硅原子被杂质原子取代，使空穴浓度大大增加。如图7一1一6所示。P型半导体的特点:①多数载流子(多子):空穴，它的浓度取决于掺杂浓度。②少数载流子(少子):自由电子，它的浓度取决于温度。图7一1一7为两种杂质半导体的示意表示法。因此，杂质半导体可以归纳如下四个特点:①杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子(简称多子、少子)。上一页下一页返回7.1半导体的导电特性②杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。③杂质半导体中起导电作用的主要是多子。④N型半导体中电子是多子，空穴是少子;;P型半导体中空穴是多子，电子是少子。上一页返回7.2PN结及其单向导电性1.PN结的形成在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质，分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。如图7一2一1为PN结载流子的运动。下一页返回7.2PN结及其单向导电性PN结中的两种运动:扩散运动:由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。漂移运动:由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。2.PN结的单向导电性如果在PN结的两端外加一个电压，则将打破空间电荷区原来的平衡状态，也就是扩散运动与漂移运动的载流子数量不再相等，PN结就有电流流通。(1)外加正向电压。在PN结上外加一个正向电压，即电源的正极接P区，电源的负极接N区，称这种连接方式为正向偏置，简称正偏，如图7-2-2所示。上一页下一页返回7.2PN结及其单向导电性PN结在外加正向电压时，所表现的特点:所以，PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流。(2)外加反向电压。在PN结上外加一个反向电压，即电源的正极接N区，电源的负极接P区，称这种连接方式为反向偏置，简称反偏，如图7-2-3所示。上一页下一页返回7.2PN结及其单向导电性PN结在外加反向电压时，所表现的特点:所以，PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。综上所述，PN结具有单向导电性:PN结正向偏置时，回路中有较大的正向电流，PN结呈现的电阻很小，PN结处于导通状态;当PN结反向偏置时，回路中的电流非常小，PN结呈现的电阻非常高，PN结处于截止状态。上一页下一页返回7.2PN结及其单向导电性3.PN结的反向击穿PN结的外加反向电压增大到一定的数值时，反向电流会突然增加，这个现象称为PN结的反向击穿。反向击穿可分为电击穿和热击穿。电击穿是可逆的和可利用的，热击穿是有害的，易烧坏PN结。电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时，称为电击穿，是可逆的。即反压降低时，管子可恢复原来的状态。热击穿:若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率，则管子会因为过热而烧毁，形成热击穿—不可逆。根据产生击穿的原因可分为齐纳击穿和雪崩击穿。而雪崩击穿和齐纳击穿都是可逆的。上一页下一页返回7.2PN结及其单向导电性齐纳击穿:在杂质浓度特别大的PN结中，外加电场直接破坏共价键，产生电子空穴对，形成很大的反向电流。雪崩击穿:PN结反向形成高场强，通过PN结的少子获得能量大，与晶体中原子碰撞使电荷挣脱共价键的束缚，形成电子空穴对(碰撞电离)，产生载流子倍增效应。上一页返回7.3半导体二极管7.3.1二极管的结构PN结上加上相应的电极、引线和封装，就成为一个二极管。按制造材料不同，二极管分为硅二极管和锗二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类，如图7一3一1所示。(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。(2)面接触型二极管:PN结面积大，用于低频、大电流整流电路。无论是点接触型二极管和面接触型二极管，其二极管的电路符号皆如图7一3-2所示。图7一3一3为实际电路设计中常用的几种二极管实物图。下一页返回7.3半导体二极管7.3.2二极管的伏安特性半导体二极管的性能与PN结一样，具有单向导电性，其伏安特性如图7一3-4所示。1.二极管两端加正向电压(1)当正向电压较小时，正向电流极小(几乎为零)，这一部分称为死区，相应的电压称为死区电压或门槛电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。(2)当正向电压超过门槛电压时，正向电流就会急剧地增大，二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降为0.6~0.7V，锗管为0.2~0.3V。上一页下一页返回7.3半导体二极管2.二极管两端加反向电压(1)二极管两端加上反向电压时，在开始很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向电流很小，且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流。(2)二极管反向电压加到一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压，用UBR表示。从二极管的伏安特性曲线可以看出，二极管的电流电压关系不是线性关系。因此，二极管是非线性元件，根据半导体物理的理论分析，二极管的伏安关系为:上一页下一页返回7.3半导体二极管7.3.3二极管的主要参数在使用二极管时，主要考虑以下几个参数。1.最大整流电流IF最大整流电流IF是指二极管长期运行时，允许流过二极管的最大正向平均电流。它是由二极管允许的升温所限定的，在规定的散热条件下，二极管的平均正向电流不得超过此值，否则，二极管将因温度过高而损坏。2.最大反向工作电压URM最大反向工作电压URM是指二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。上一页下一页返回7.3半导体二极管3.最大反向电流IRM最大反向电流IRM是指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流。反向电流大，说明二极管的单向导电性差，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，锗管的反向电流要大几十到几百倍。4.最高工作频率fM最高工作频率fM是指二极管能保持单向导电性的最大频率。超过了这个频率二极管就失去了单向导电性。上一页返回7.4二极管的电路模型及其应用7.4.1二极管的电路模型二极管是一种非线性元件，这使电路的分析和计算显得很不方便。为了简便起见，在一定条件的电路中，常用线性元件的电路模型来模拟二极管特性，这种能够模拟二极管特性的电路称为等效电路模型(简称等效电路)。1.四种等效电路模型1)理想模型当二极管为理想模型时，具有的特点:二极管正向偏置时，管压降为0v;二极管反向偏置时，电阻为无穷大。如图7-4一1所示。理想模型适用的范围:电源电压远远大于二极管压降。下一页返回7.4二极管的电路模型及其应用2)恒压降模型当二极管为恒压降模型时，具有的特点:正向偏置时，管压降为恒定，一般为0.7V;反向偏置时，电阻为无穷大。如图7-4-2所示。3)折线模型当二极管为折线模型时，具有的特点:该模型为二极管的压降随着电流的增加而增加。可用一个电池和一个电阻近似。电池压降为二极管的门槛电压。如图7-4一3所示。4)小信号模型当二极管为小信号模型时，具有的特点:在静态工作点Q附近工作时，可以将二极管Il-1特性看作一条直线，其斜率的倒数就是二极管小信号模型的微变电阻。如图7-4-4所示。上一页下一页返回7.4二极管的电路模型及其应用7.4.2二极管的应用电路二极管的应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，通常用于整流、检波、限幅等，在数字电路中常常作为开关元件。在分析含二极管的电路中，二极管一般采用理想模型或恒压源模型，两者的主要区别是:当二极管正向导通时，理想二极管上的压降为零，而恒压降模型的二极管上的压降为0.7v(硅管)或0.3V(锗管)。1.开关电路在数字电路中，常利用二极管的单向导电性，将二极管作为开关元件，用于接通或断开电路。分析开关电路的思路为:(1)先假设二极管两端断开，确定二极管两端的电位差。上一页下一页返回7.4二极管的电路模型及其应用(2)根据二极管两端加的是正电压还是反电压判定二极管是否导通，若为正电压且大于17值电压，则管子导通，否则截止。(3)若电路出现两个或两个以上二极管，应先判断承受正向电压较大的管子优先导通，再按照上述方法判断其余的管子是否导通。2.整流电路整流电路的任务是把交流电压转变为单向脉动的直流电压。为分析简单起见，常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(相当于短路)，反向电阻为无穷大(相当于开路)。3.限幅电路限幅电路的任务是对各种信号进行处理，例如降低信号的幅度以满足电路工作的需要，或保护某些器件不受大信号电压作用而损坏。上一页下一页返回7.4二极管的电路模型及其应用限幅电路的分析思路:将二极管看成理想二极管，当D的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将D作为一短路线;当D的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将D作为一断开的开关。上一页返回7.5特殊二极管二极管可分为:普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管等。1.稳压二极管稳压管又称为齐纳二极管，它的杂质浓度较大，空间电荷区很窄，容易形成强电场。产生反向击穿时反向电流急增。稳压管的稳压作用在于，电流增量很大，只引起很小的电压变化。图7-5一1(a)为稳压二极管的符号，图7一5一1(b)为稳压二极管的伏安特性曲线。图中的U，表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。稳压管与普通二极管的主要区别:(1)稳压管运用在反向击穿区，二极管运用在正向区。(2)稳压管比二极管的反向特性更陡。下一页返回7.5特殊二极管2.变容二极管二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。图7-5-2(a)为变容二极管的代表符号，图7-5-2(b)是变容二极管的特性曲线。3.光电二极管光电二极管是光电子系统的电子器件。它用来作为光的测量，可将光信号转换为电信号。上一页下一页返回7.5特殊二极管光电二极管的结构与PN结二极管类似，管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。图7-5一3(a)是光电二极管的代表符号，图7一5一3(b)是它的等效电路，而7一5一3(b)则是它的特性曲线。其主要特点是，它的反向电流与照度成正比，灵敏度的典型值为0.1mA/lx数量级。4.发光二极管发光二极管