半导体二极管及其应用电路课件

半導體二極體及其應用電路

2.1半導體的基本知識

2.1.1半導體材料

自然界中的各種物質,按導電能力劃分為:導體、絕緣體、半導體。半導體導電能力介於導體和絕緣體之間。它具有熱敏性、光敏性和摻雜性。利用光敏性可製成光電二極體和光電三極管及光敏電阻;利用熱敏性可製成各種熱敏電阻;利用摻雜性可製成各種不同性能、不同用途的半導體器件,例如二極體、三極管、場效應管等.

常用的半導體材料有:

元素半導體:矽(Si)、鍺(Ge)等。化合物半導體有：砷化鎵（GaAs）等。摻雜或製成其他半導體的材料：硼(B)、磷(P)、銦(In)、銻(Sb)等。

2.1.2半導體的共價鍵結構

在電子器件中,用得最多的材料是矽和鍺,矽和鍺都是四價元素,最外層原子軌道上具有4個電子,稱為價電子。每個原子的4個價電子不僅受自身原子核的束縛,而且還與周圍相鄰的4個原子發生聯繫,這些價電子一方面圍繞自身的原子核運動,另一方面也時常出現在相鄰原子所屬的軌道上。這樣,相鄰的原子就被共有的價電子聯繫在一起,稱為共價鍵結構。如圖2.1.2所示。

圖2.1.2矽和鍺的二維晶格結構圖，正離子核通過共價鍵與鄰近的核相聯接

圖2.1.3由於隨機熱振動致使共價鍵被打破而產生電子-空穴對2.1.3本征半導體、空穴及其導電作用

本征半導體

當溫度升高或受光照時,由於半導體共價鍵中的價電子並不像絕緣體中束縛得那樣緊,價電子從外界獲得一定的能量,少數價電子會掙脫共價鍵的束縛,成為自由電子,同時在原來共價鍵的相應位置上留下一個空位,這個空位稱為空穴,如圖2.1.3所示。

空穴

自由電子和空穴是成對出現的,所以稱它們為電子空穴對。在本征半導體中,電子與空穴的數量總是相等的。我們把在熱或光的作用下,本征半導體中產生電子空穴對的現象,稱為本征激發,又稱為熱激發。由於共價鍵中出現了空位,在外電場或其他能源的作用下,鄰近的價電子就可填補到這個空穴上,而在這個價電子原來的位置上又留下新的空位,以後其他價電子又可轉移到這個新的空位上,如圖2.1.4所示。

圖2.1.4電子與空穴的移動

為了區別於自由電子的運動,我們把這種價電子的填補運動稱為空穴運動,認為空穴是一種帶正電荷的載流子,它所帶電荷和電子相等,符號相反。由此可見,本征半導體中存在兩種載流子:電子和空穴。而金屬導體中只有一種載流子——電子。本征半導體在外電場作用下,兩種載流子的運動方向相反而形成的電流方向相同,如下圖所示。2.1.4雜質半導體

1)P型半導體在矽（或鍺）的晶體內摻入少量三價元素雜質,如硼（或銦）等。硼原子只有3個價電子,它與周圍矽原子組成共價鍵時,因缺少一個電子,在晶體中便產生一個空穴,半導體成中性。這個空穴與本征激發產生的空穴都是載流子,具有導電性能。P型半導體共價鍵結構如圖2.1.5所示。

圖2.1.5

P型半導體的共價鍵結構

在P型半導體中,空穴數遠遠大於自由電子數,空穴為多數載流子(簡稱“多子”),自由電子為少數載流子(簡稱“少子”)。導電以空穴為主,故此類半導體又稱為空穴型半導體。2)N型半導體

在純淨的半導體矽（或鍺）中摻入微量五價元素（如磷）後,就可成為N型半導體,如圖2.1.6所示。在這種半導體中,自由電子數遠大於空穴數,導電以電子為主,故此類半導體亦稱電子型半導體。圖2.1.6N型半導體的共價鍵結構

2.2PN結的形成及特性

1.PN結的形成

在一塊完整的晶片上,通過一定的摻雜工藝,一邊形成P型半導體,另一邊形成N型半導體。在交界面兩側形成一個帶異性電荷的離子層,稱為空間電荷區,並產生內電場,其方向是從N區指向P區,內電場的建立阻礙了多數載流子的擴散運動,隨著內電場的加強,多子的擴散運動逐步減弱,直至停止,使交界面形成一個穩定的特殊的薄層,即PN結。因為在空間電荷區內多數載流子已擴散到對方並複合掉了,或者說消耗盡了,因此空間電荷區又稱為耗盡層。圖2.2.1載流子的擴散

2.PN結的單向導電特性

在PN結兩端外加電壓,稱為給PN結以偏置電壓。

1)外加正向電壓

給PN結加正向偏置電壓,即P區接電源正極,N區接電源負極,此時稱PN結為正向偏置(簡稱正偏),如圖2.2.3所示。由於外加電源產生的外電場的方向與PN結產生的內電場方向相反,削弱了內電場,使PN結變薄,有利於兩區多數載流子向對方擴散,形成正向電流,此時PN結處於正嚮導通狀態。

圖2.2.3PN結加正向電壓2)PN結反向偏置給PN結加反向偏置電壓,即N區接電源正極,P區接電源負極,稱PN結反向偏置(簡稱反偏),如圖2.2.4所示。

圖2.2.4PN結加反向電壓

由於外加電場與內電場的方向一致,因而加強了內電場,使PN結加寬,阻礙了多子的擴散運動。在外電場的作用下,只有少數載流子形成的很微弱的電流,稱為反向電流。

應當指出,少數載流子是由於熱激發產生的,因而PN結的反向電流受溫度影響很大。

綜上所述,PN結具有單向導電性,即加正向電壓時導通,加反向電壓時截止。

圖2.2.5矽二極體PN結的V-I特性

3)PN結V-I特性的運算式(瞭解)

3.PN結的反向擊穿(暫時瞭解)定義:

反向擊穿(電擊穿)、熱擊穿、雪崩擊穿、齊納擊穿、碰撞電離、倍增效應、復習思考題：2.2.1-----2.2.4課堂練習.2.3半導體二極體

2.3.1半導體二極體的結構二極體的結構外形如圖2.3.1(a),二極體的代表符號如圖2.3.1(b),箭頭指向為正嚮導通電流方向。

圖2.3.1二極體結構、符號及外形舉例

(a)結構；(b)符號;

2．類型

(1）按材料分:有矽二極體,鍺二極體和砷化鎵二極體等。

(2）按結構分:根據PN結面積大小,有點接觸型、面接觸型二極體。

(3）按用途分:有整流、穩壓、開關、發光、光電、變容、阻尼等二極體。

(4）按封裝形式分:有塑封及金屬封等二極體。

(5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二極體。圖2.3.1二極體結構、符號及外形舉例

(c)外形2.3.2二極體的V-I特性

半導體二極體的核心是PN結,它的特性就是PN結的特性——單向導電性。常利用伏安特性曲線來形象地描述二極體的單向導電性。若以電壓為橫坐標,電流為縱坐標,用作圖法把電壓、電流的對應值用平滑的曲線連接起來,就構成二極體的伏安特性曲線,如圖2.2.2和2.3.3所示。下麵對二極體伏安特性曲線加以說明。(復習思考題2.3.3)

0.20.40.60.8O51015－30－U(BR)CDIRAB矽iV/mAuV/V(mA)－5

圖2.3.2矽二極體2CP10伏安特性曲線0.20.40.60.8O51015－30C′D′IRA′B′鍺iV/mAuV/V(mA)－5

圖2.3.3鍺二極體2AP15伏安特性曲線

1.正向特性

二極體兩端加正向電壓時,就產生正向電流,當正向電壓較小時,正向電流極小（幾乎為零）,這一部分稱為死區,相應的A(A′)點的電壓稱為死區電壓或門檻電壓(也稱閾值電壓),矽管約為0.5V,鍺管約為0.1V,如圖2.3.2和2.3.3中OA(OA′)段。當正向電壓超過門檻電壓時,正向電流就會急劇地增大,二極體呈現很小電阻而處於導通狀態。這時矽管的正嚮導通壓降約為0.6~0.7V,鍺管約為0.2~0.3V,如圖2.3.2和2.3.3中AB(A′B′)段。

二極體正嚮導通時,要特別注意它的正向電流不能超過最大值,否則將燒壞PN結。

2.反向特性二極體兩端加上反向電壓時,在開始很大範圍內,二極體相當於非常大的電阻,反向電流很小,且不隨反向電壓而變化。此時的電流稱之為反向飽和電流IR,見圖2.3.2和2.3.3.中OC（OC′）段。

3.反向擊穿特性

二極體反向電壓加到一定數值時,反向電流急劇增大,這種現象稱為反向擊穿。此時對應的電壓稱為反向擊穿電壓,用UBR表示,如圖2.3.2和2.3.3中CD(C′D′)段。

2.3.3二極體的參數

1.最大整流電流IF

2.反向擊穿電壓VBR

3.反向(飽和)電流IR

4.極間電容(瞭解)

(1)勢壘電容CB(2)擴散電容CD

附:

半導體二極體的命名方法

1.半導體器件的型號由五個部分組成如圖所示。其型號組成部分的符號及其意義見附錄一。如2AP9,“2”表示電極數為2,“A”表示N型鍺材料,“P”表示普通管,“9”表示序號。

2.型號組成部分的符號及其意義

圖半導體器件的型號組成二極體的簡易測試(復習思考題2.3.2)

將萬用表置於R×100或R×1k(Ω)擋（R×1擋電流太大,用R×10k(Ω)擋電壓太高,都易損壞管子）。如下圖所示,

萬用表簡易測試二極體示意圖

(a)電阻小；(b)電阻大二極體使用注意事項

(1)二極體應按照用途、參數及使用環境選擇。

(2)使用二極體時,正、負極不可接反。通過二極體的電流,承受的反向電壓及環境溫度等都不應超過手冊中所規定的極限值。

(3)更換二極體時,應用同類型或高一級的代替。

(4)二極體的引線彎曲處距離外殼端面應不小於2mm,以免造成引線折斷或外殼破裂。

2.4二極體基本電路及其分析方法

2.4.1二極體正向V-I特性的建模

1.理想模型

2.恒壓降模型

3.折線模型

4.小信號模型圖1―13二極體特性曲線折線近似圖1―14二極體半波整流電路

(a)電路；(b)輸出波形

圖1―15二極體門電路圖1―16二極體限幅電路

(a)電路;(b)波形

圖1―20示出了穩壓管穩壓電路,圖中穩壓管VZ並接在負載RL兩端。由圖可知(1―22)圖1―20穩壓管穩壓電路圖1―21光電二極體的符號及特性(a)符號;(b)光譜特性；(c)光照特性2.4.2模型分析法應用舉例

1.二極體電路的靜態工作情況分析例2.4.1圖2.4.5(a)簡單二極體電路(b)習慣畫法RDVREFuiuo(a)2.限幅電路

圖2.4.6(a)限幅電路(b)波形圖＋6ui/V－6Wtuo/V00(d)Wt3.開關電路V12V11+__+5VVcc4.7kD1D2

開關電路(a)習慣畫法(b)開關電路的理想模型

圖2.4.7D1D2V11V124.7k4.低壓穩壓電源51頁

例2.4.4

討論(復習思考題2.5.2)2.5特殊二極體

前面主要討論了普通二極體,另外還有一些特殊用途的二極體,如穩壓二極體、發光二極管、光電二極體和變容二極體等,現介紹如下。

2.5.1．齊納二極體(穩壓二極體)

穩壓二極體的工作特性,穩壓二極體簡稱穩壓管,它的特性曲線和符號如圖2.5.1所示。(a)

圖2.5.1穩壓二極體的特性曲線和符號

(a)符號(b)V-I特性；VUZDUZUBUAU/VODIZIZIA(IZmin)IB(IZmax)ABI/mA(b)

矽穩壓管穩壓原理電路如圖2.5.2所示。

圖中穩壓管VDZ與負載電阻RL並聯，在並聯後與整流濾波電路連接時，要串聯一個限流電阻R。由於VDZ與RL並聯，所以也稱並聯穩壓電路。以下討論穩壓電路工作原理。

(1)如果輸入電壓Ui不變而負載電阻RL減小，這時負載上電流IL要增加，電阻R上的電流IR=IL+IVDZ也有增大的趨勢，則UR=RIR

也趨於增大，這將引起輸出電壓UO=UVDZ的下降。穩壓管的反向伏安特性已經表明，如果UVDZ略有減小，穩壓管電流IVDZ將顯著減小，IVDZ的減少量將補償IL所需要的增加量，使得IR基本不變，這樣輸出電壓UO=Ui—RIR也就基本穩定下來。圖2.5.2

當然，負載電阻RL增大時，IL減小，IVDZ增加，保證了IR基本不變，同樣穩定了輸出電壓UO。

(2）如果負載電阻RL保持不變，而電網電壓的波動引起輸入電壓Ui升高時，電路的傳輸作用使輸出電壓也就是穩壓管兩端電壓也趨於上升。由穩壓管反向特性知，IVDZ將顯著增加，於是電流IR=IVDZ+IL加大，所以電壓UR升高，即輸入電壓的增加量基本降落在電阻R上，從而使輸出電壓UO基本上沒有變化，達到了穩定輸出電壓的目的，同理，電壓Ui降低時，也通過類似過程來穩定UO。

穩壓二極體的主要參數

(1)穩定電壓UZ。穩定電壓UZ即反向擊穿電壓。

(2)穩定電流IZ。穩定電流IZ是指穩壓管工作至穩壓狀態時流過的電流。當穩壓管穩定電流小於最小穩定電流IZmax時,沒有穩定作用;大於最大穩定電流IZmax時,管子因過流而損壞。表2.5.1幾種典型的穩壓管的主要參數例2.5.1(參看55頁)*2.5.2變容二極體

變容二極體是利用PN結電容可變原理製成的半導體器件,它仍工作在反向偏置狀態。它的壓控特性曲線和電路符號如圖2.5.4所示。

圖2.5.4變容二極體

(a)代表符號；(b)結電