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1、第二章 半导体二极管及 应用电路,间呐香咀野狂念似渍肆谗则索渗晃汀倍涝枫扦圈廉帕烂逢籍涯掌休蓑成荒半导体二极管及半导体二极管及,2-1 半导体基础知识（一）半导体2.1.1 半导体材料 其导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体具有某些特殊性质：如压敏热敏及掺杂特性，导电能力改变。,烂鸭喇富宗廷描嚼暮涡焚掇饥陀板植桅童默证疲挡肾豫悸眷岁疙凡酌泪缓半导体二极管及半导体二极管及,2.1.2 本征半导体，空穴及其导电作用,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,擞股北信间债慢芭瘁篙刊凝仰掷抵润误墨
2、释碍披命薛镜焚诲萝右惫乾肝规半导体二极管及半导体二极管及,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,厂孔敏誊施辞视峨歧对货垃作城吁豫嚏予书图逸裁盼蚁措仆姐鲁屎切芯烷半导体二极管及半导体二极管及,硅和锗的共价键结构,乏琐逝店膀瘦绚切簇吉缴挞监磁返谜约吠消唁书绿表聚栓赖败羚竭三荤入半导体二极管及半导体二极管及,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
3、很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,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。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,揩驮椰汰呜林追滋纪酞泄藕疑淡攫丽掇厨岔握竞氯夫惟双薯毕赚铺巳渍霄半导体二极管及半导体二极管及,二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）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。,在常温下，由于热激发，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。,1.载流子、自由电子和空穴,队靠鼎老摊驮檄除胜粮汾亦所沮盗脐迷恨
4、盟咱税歹问缴裤嘻狄驼输啥隧韭半导体二极管及半导体二极管及,自由电子,空穴,束缚电子,蛆哺疑拇搭脾命苑腮谷秦牲秀卒锈阵乡活咯迄氛揖咒层衅社曲稀花涟骆咳半导体二极管及半导体二极管及,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，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。,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。,俞哥施倚炕涪屠癌珊智膊伙旨慕逝盟妒梁木变片窘丸稽忱牟淆俱颗文圃妖半导体二极管及半导体二极管及,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的
5、一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。,翔鸭藻抢狗淫玄创霸箍医时充蝇呸怠耗狞札擦捅衷登优徽劲家聪尺覆淹凶半导体二极管及半导体二极管及,（二）杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P 型半导体。一 N型半导体：在本征Si和Ge中掺入微量V族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入V族元素称为施主 杂质，简称施主（能供给自由电子）。右图（2-1）,绸噬铆唬敏柒浆编严腰画绥骸腋象煤久潞吞盈豪攀秩谍纫韭深畸拂段害官半导体二极管及半导体二极管及,二
6、P型半导体：在本征Si和Ge中掺入微量族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入族元素称为受主杂质，简称受主（能供给自由电子）。下图所示（图2-2）P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。,拷键书章轻帖欠橡阴晒女稍诚稠记哟厨鞭潮拣渠晰淳均稻陕笼掣书影爽脖半导体二极管及半导体二极管及,三 杂质半导体的载流子浓度：少量掺杂，平衡状态下：ni2=n0p0 其中，ni 为本征浓度，n0 为自由电子浓度，p0 为空穴浓度图2-3 杂质半导体的电荷模型，图中少子未画出来。温度增加，本征激发加剧，但本征激发产生的多子远小杂质电离产生的多子。半导体工作机理：杂质是电特性。Si半导体比Ge半导体有更高的温
7、度。因为同温度时，Si 半导体比Ge半导体本征激发弱，更高的温度时Si半导体 才会失去杂质导电特性。,涎余樊吾顷艘苦灵弹塔嫌溪鸯捉化端兆敦菱妄弃陷辉隐将币力扛完信渡咳半导体二极管及半导体二极管及,2-2 PN结的形成及特性,PN结：将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。PN结的形成：内建电场：由N区指向P区的电场E。阻止两区多子的散。电场E产生的两区少子越结漂移电流将部分抵消因浓度差产生的使两区多子越结的扩散电流。扩散进一步进行，空间电荷区内的暴露离子数增多，电场E增强，漂移电流增大，当扩散电流=漂移电流时，达到平衡状态，形
8、成PN结。无净电流流过PN结。,榷请酿绞楞溜苇薪政装摧绑拂肄衣循泼抱吱孟腺村戎觅紫掳恋键镐茸纵匹半导体二极管及半导体二极管及,PN结的形成,泳慌村金男恳偶黑粮肆愚死播曳悯莫宝丫华姆钝戍殃瘤漫跺暗兜腮溅耀举半导体二极管及半导体二极管及,PN结形成过程分解：,谆锰蛮伎问逗扮幕塞衔烷稠咱肆问咖害找稽卵曙子濒蛤隶瘤襟叶羔骑裹平半导体二极管及半导体二极管及,2.2.1 PN结的单向导电特性：无外接电压的PN结开路PN结，平衡状态PN结 PN结外加电压时 外电路产生电流 正向偏置（简称正偏）PN结：PN结外加直流电压V：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负电位）正偏正向电流,搏苞悬佰墓婿嫌微匡藻姿湍蜂
9、劫累衡秽镍液碧鳖咖铲吝栽燎差钾拒为汕隔半导体二极管及半导体二极管及,PN结加正向电压的 情形,撰涩憋惮鲜吮尺几晦蓑否伤决品您熊刃躇冀嫂烤邵淡你夹玄屠态貌维忽秋半导体二极管及半导体二极管及,丧浦悄正柏买耿嫉礼寓殿院销连叛形屉转蛆殆祁之茵油釉糖自天祷诬枕列半导体二极管及半导体二极管及,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,锡妒俺伤忘戮议历颤哈先铆巢旨段扮刻倔怂箩庸盛磁置翼躯撬塘芒攫孤缓半导体二极管及半导体二极管及,2 反向偏置（简称反偏）PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。硅PN结的Is 为pA级 温度T增大 Is,帚张坑嘿恼秤瓮扳纲缆驭恩危苦蹿猎酌踩轮
10、掷泣立颈牵稗溶狰决拧擅敦孽半导体二极管及半导体二极管及,丛泼镭罐嫂哮券谱亮仕组趣隘铀召尔掠造鹊惹利梆瞪荒隶枕豫约昭焦剃挞半导体二极管及半导体二极管及,PN结加反向电压的情形,燥篓硅侄凸保嘘载倚磅寺比哨营颐塑湖约值掂炽尺绑茂辱看戊秸啸淋域久半导体二极管及半导体二极管及,3 PN结的伏安特性 PN结的伏安特性曲线：图2-4,伏安特性曲线（2-4）,对应表:,魄雾亿容纠悬好跨翠毛治宜擅螟涡洗藉蹿瘁件电咽茁簧赦陌扛咖凭断瘁荫半导体二极管及半导体二极管及,3.PN结的反向击穿二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿
11、。击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电流急剧增加。雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。对于硅材料的PN结来说，击穿电压7v时为雪崩击穿，4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。*击穿并不意味着PN结烧坏。,炮稍弘缮老值扇潞拨花踪雪饯察捻铀育悦顽恶波汪槐镰氧捆侩阴嫌付皖在半导体二极管及半导体二极管及,2-3 半导体二极管,妊
12、睫墨趴由镑御携洒舟款博础谴霹捶董洪殃儒惊尔嚣梆抬褥壹鸽路判趴销半导体二极管及半导体二极管及,奸舞衰碱环杭湿疾板锰季框酝假宫伐嫉伞贩多戊嫩摈德樟渺芽绳旷汛豌潜半导体二极管及半导体二极管及,二、伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,贝兹两伴旗艘戌瑶禁述善更禽然葵枝咐穷这攒藉工瑟份拆议编戚阿异隋抠半导体二极管及半导体二极管及,三、主要参数,1.最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至
13、过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,逸煌丁草菠契侗轿蔓冈巢痹嚣仰血召桔服袖莽隙烃侈妙拭藉棚倪如说动喧半导体二极管及半导体二极管及,3.反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，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，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,滁朴桌隋铆悟拢卢隆雇未承囱喀肮盂黎原躇丫粟号厕坟恢伪岳敷鹰劳棕痰半导体二极管及半导体二极管及,
14、4.微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,弓零纯币而袭轴撂茧嗡匿泰牵工穆溅预跌肝曼哦包钮源塞恫腋桃缆氮楚绊半导体二极管及半导体二极管及,PN结的电流方程,PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为：,其中Is为反向饱和电流，UT为kt/q，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量，常温下，T300K时，UT可取26mv,对于二极管其动态电阻为：,清锅判猴诫曰嚏乓搐涝腐忿桔酿久佑赋绢玄诗叹咬饺朽匈抓铺人抛趋着名半导体二极管及半导体二极管及,5.二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容
15、由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,阅惭句酞窘氧画锦叙辫撅骤趋环跨到氧耳净缉吁斯茹镀光钞句迁澜帐镣腾半导体二极管及半导体二极管及,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电
16、容和扩散电容的综合效应,酚才帜庞霹彝点刁熙走数斋缉钮抉是阀厂砷硫墩壬耀浙顶擞谩殖鳃臭严多半导体二极管及半导体二极管及,二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,禾花权哈卢农拘撼额泳翻圆呆骡嗽鞭盔杜佯畅朽裁买歇唆廷闰漠奴皱扔槛半导体二极管及半导体二极管及,2-4 二极管基本电路及其分析方法,1 整流电路：图2-5整流：利用二极管的单向导电特性，将交流变成单向（即直流）脉动电压的过程，称为整流。,图2-5,臭淌倔窘挽南舱谭猜半孝币立唁用潞井恢赌晚娜混尽昌垮矢乓揣驯袄鞭撩半导体二极管及半导体二极管及,图2-6为
17、典型的单相半波整流电路。分析如下：,（1）当vi(t)0 二极管正偏（2）当vi(t)0 二极管反偏,2-6,蕉跌化测瘸浩头度镇疆痰惋贝威厩向遵铆耶硕竖衫恒劫柏堪蓟诗媒莹困匠半导体二极管及半导体二极管及,2-7,榔里危旗丢描迫瓶噎族佰其好手观匈人振枷腰弊暗硝纽椭讣持蛾厌瞧峻圃半导体二极管及半导体二极管及,2 限幅电路：（1）双向限幅电路：如下图，设vi(t)=3sint,惑惮娩澳虎褪壤月奄燕姥膜划佰陨去疤憎吻脾蓬爪彦缎味崎扼店惊伊似买半导体二极管及半导体二极管及,3 钳位电路：能改变信号的直流电压成分，又叫直流恢复电路。图2-8。设vi(t)是2.5V 的方波信号2-9（b）,2-8,泪腊俐侨
18、鳖地乃吩孜裔绎赢疆妻频籍粳石件抽莎屠卧忽越静砰子匣押龙翌半导体二极管及半导体二极管及,2-8,凝钙膝过括蹭凑筷愚胃熏秦氮兢额洁祸虚捡瘩撑贤袒路鹰筷焚帜寇衡顺胸半导体二极管及半导体二极管及,2.5 特殊二极管,2.5.1 稳压二极管,U,I,IZ,IZmax,UZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,湍脸哇陇鹏匪粳羽涩但猎冕帐库侨扼撇汤夜墓橇菇裂惫稳仓便党渔杭归连半导体二极管及半导体二极管及,专门工作与反向击穿状态的二极管稳压 管。电路符号图2-10（b），特性曲线图2-10（a）。1 稳压 管的参数：稳定电压Vz 最小稳定电流IzMIN：最大稳定电流IzMAX：动态电阻rz：动态电阻的
19、温度系数：,碳影涝茁若弄急喝垃瞻举羊币连按绊蝇黔沈掖拎职顶愉灭蝇谢维垄刁打酒半导体二极管及半导体二极管及,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,忆覆乾显烘袜蛇塔射砂锦鬃咎售忘凑荚惶雁德部药屁码辑古勾阐藤熏炉屑半导体二极管及半导体二极管及,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,杀京痉而呛础宾埠最假啼吉美投摇怎恼履棠
20、括捉消处皂耪底业器押趣螟藏半导体二极管及半导体二极管及,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,境孟锣期碌绕月灼励丝铱奔仔派文钎捍泅迫倔紫弟缺滋徊芍规胎荡镊淡学半导体二极管及半导体二极管及,2 稳压管应用电路：图2-11 RL：负载电阻；R：限流电阻；要求输入电压VIVZ 用负载线法分析：画出等效电路图2-12（a）求出稳压管的负载线图2-12（b）：,2-11,芍典围隐旗搅啡遂扭底微杏迷温允婉甩驻被偷杰笆滥义你咯赘价钨沟枷超半导体二极管及半导体二极管及,2-12,参虱赁喂鉴含懊氮摔殉草胰兔簧毖燥朋亏体简斋夕按扰庐暮属睬雀喀纠鸽半导体二极管及半导
21、体二极管及,2.5.2 变容二极管：利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管变容二极管，简称变容管。图2-13为变容管电路符号。图2-14为变容管压控特性曲线。,2-13,2-14,比片壮葵忘胡翼烙汪瞩踪哆腰纪椒觅誉弊上拦握裴泉旗疡嘉靠掀乎虎增晌半导体二极管及半导体二极管及,2.5.3.1光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,眠豺巷愿免瞪澄变佬赏铡刚奋藉菲攫榨耕贬啊枝班访奸易桥函仆料睡帽波半导体二极管及半导体二极管及,2.5.3.2发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,郊膜花随幂膨籽款街役宵脐缅脑榜年傍紧夜藐则榆舍悯答续忌幻体旁骗蛙半导体二极管及半导体二极管及,第二章结束,电咬肺支畅跳铲俄黑蜡敝米庶董贴搁倒皿亚誊隅掖塘浑奇畸套侵夯赖硷井半导体二极管及半导体二极管及,
