1、1半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用21 半導(dǎo)體的基本知識(shí) 1.1 PN結(jié) 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，半導(dǎo)體器件中用的最多的是硅和鍺。半導(dǎo)體的特點(diǎn)： 當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能 力明顯變化。 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使 它的導(dǎo)電能力明顯改變。3 1.1.1 本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。4 本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。 它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。5硅和鍺的共

2、價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子6共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+47二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵

3、上留下一個(gè)空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。8可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖所示。 本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。本征激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程92.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。10溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要

4、的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。11 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。12一、N 型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形

5、成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。13+4+4+5+4多余電子磷原子N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。14二、P 型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)

6、，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。15三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。161.1.3 PN結(jié)一、 PN 結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。17P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷

7、區(qū)越寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。18漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。19+空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0201、空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴、N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3、P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:21二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負(fù)電壓。 PN 結(jié)加上反

8、向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。22+RE1、PN 結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。232、PN 結(jié)反向偏置+內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE24 PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?5 3 PN結(jié)方程其中PN結(jié)的伏安特性IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）26 三、 PN結(jié)的反向擊穿

9、當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿不可逆 雪崩擊穿高反壓，碰撞電離 齊納擊穿較低反壓，場(chǎng)致激發(fā)電擊穿可逆27四、 PN結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)（結(jié)電容），它由兩方面的因素決定。 一是勢(shì)壘電容CB ， 二是擴(kuò)散電容CD 。281 勢(shì)壘電容CB 勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢(shì)壘電容的示意圖如下。29 擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子

10、，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。2 擴(kuò)散電容CD 反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如下頁(yè)所示。30擴(kuò)散電容示意圖 當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過(guò)程。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。都很小。正偏時(shí)擴(kuò)散電容為主；反偏時(shí)勢(shì)壘電容為主。31 2 半導(dǎo)體二極管PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號(hào)

11、高頻，小電流低頻，大電流32半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：33半導(dǎo)體二極管圖片3435 2.1 伏安特性UI死區(qū)電壓 硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.8V,鍺管0.10.3V。反向擊穿電壓UBR36 2.2 二極管的等效電路 1. 理想模型3. 折線模型 2. 恒壓降模型37 4. 小信號(hào)模型 二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）Q ?38疊加 ！392.3 主要參數(shù) 1. 最大整流電流 IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2. 反向擊穿電

12、壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。403. 反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。414. 微變電阻 rDiDuDIDUDQiDuDrD 是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q 附近電壓的變化與電流的

13、變化之比：顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。42二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降0.7V(硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降=0 RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例 二極管半波整流432.4 穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動(dòng)態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好44（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動(dòng)態(tài)電阻45穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):

14、負(fù)載電阻 。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。方程146令輸入電壓降到下限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：47 穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。 電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過(guò)該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。48光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加49發(fā)光二極管有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的

15、光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。2.5 二極管應(yīng)用電路整 流 電 路濾 波 電 路穩(wěn) 壓 電 路u1u2u3u4uo 2.5.1 直流穩(wěn)壓電源的組成和功能 電源變壓器: 將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路: 將交流電壓u2變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路: 將脈動(dòng)直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路: 清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。 整流電路的任務(wù)：把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動(dòng)的電壓。2.5.2 整流電路常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。為分析簡(jiǎn)單起見，把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二

16、極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無(wú)窮大。 一、半波整流電路uo(3) 輸出電壓平均值（Uo）：(1) 輸出電壓波形：u1u2aTbDRLuoiL(2)二極管上承受的 最高電壓：(4)流過(guò)負(fù)載和二極管的平均電流為 二、單相橋式整流電路u2正半周時(shí)電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo+-+-1 工作原理 -+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負(fù)半周時(shí)電流通路+- u20 時(shí)D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A D1RLD3Bu20 時(shí)D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:B D2RLD4A輸出是脈動(dòng)的直流電壓！橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形u2D4D2D1D3RLuoABu

17、2uD4,uD2uouD3,uD1 a. 整流輸出電壓平均值（Uo）b. 負(fù)載上的(平均)電流:c. 流過(guò)二極管的 (平均)電流:d. 二極管承受的 最大反向電壓2 參數(shù)計(jì)算 幾種常見的硅整流橋外形：+ A C -+- + - 三、倍壓整流電路1 二倍壓整流電路u2的正半周時(shí)：D1導(dǎo)通，D2截止，理想情況下，電容C1的電壓充到：u2的負(fù)半周時(shí)：D2導(dǎo)通，D1截止，理想情況下，電容C2的電壓充到：負(fù)載上的電壓：+u1u2+D1C2C1D2uoRL +2 多倍壓整流電路+u2的第一個(gè)正半周：u2、C1、D1構(gòu)成回路，C1充電到：u2的第一個(gè)負(fù)半周：u2、C2、D2 、C1構(gòu)成回路，C2充電到：C1

18、u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6 +C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二個(gè)正半周：u2、C1、C3 、D3 、C2構(gòu)成回路， C1補(bǔ)充電荷，C3充電到：u2的第二個(gè)負(fù)半周： u2、C2、C4、D4、C3 、C1構(gòu)成回路， C2補(bǔ)充電荷， C4充電到：從不同端點(diǎn)可引出所需的多倍壓直流輸出。 2.5.3 濾波電路濾波電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn): 電容與負(fù)載 RL 并聯(lián)，或電感與負(fù)載RL串聯(lián)。交流電壓脈動(dòng)直流電壓整流濾波直流電壓原理：利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓(或通過(guò)電感中的電流)不能突變的特性, 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的