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1、第二章 半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识,物质导电:导体、绝缘体和半导体。半导体:电阻率为10-3109 cm。常见半导体:硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs等。,1 本征半导体及其导电性,本征半导体：纯净的半导体。纯度99.9999999%，常称为“九个9”。单晶体形态例如：“单晶硅”。,(1）本征半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素。每个原子的四个价电子互相形成共价键,为它们所束缚，形成空间排列有序的晶体,见图2.01。,（2）电子空穴对,图2.02 本征激发和复合的过程（动画2-1）,电子空穴对:热、光激发产生的自由电子和空穴对。复合:游离的自由电子回补空穴。动态平衡：温度
2、一定本征激发和复合达到平衡。,(3)两种载流子,1）电子：价电子。定向运动形成了电子流，带负电；2）空穴：价电子离开后所留下的空位。它的运动方向与电子流相反，带正电。,（动画2-2）,图2.03 空穴在晶格中的移动,2 杂质半导体,杂质半导体：本征半导体中掺入某些微量元素杂质，所形成的半导体。,两种杂质半导体：,N型半导体P型半导体,杂质：一般是三价或五价元素（硼，磷）。掺杂目的：改变半导体的导电性能。,N型半导体：电子型半导体。,(1）N型半导体,N型半导体：本征半导体中掺入五价元素磷形成。,N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。,五价杂质原
3、子，因提供自由电子成为带正电荷的正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。图2.04。,(2)P型半导体,P型半导体：本征半导体中掺入三价元素硼形成。,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。如图2.05所示。,P型半导体：空穴型半导体,2.1.3 杂质对半导体导电性的影响,掺杂质对半导体导电性的影响：,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。,结论：百万分之一的掺杂，导电性能提高百万倍！,将N型半导体和P型半导体合在一起。,2.2 PN结的形成及特性,（动画2-3）,图2.06 P
4、N结的形成过程,1、PN结的形成,将N型半导体和P型半导体合在一起。,2.2 PN结的形成及特性,（动画2-3）,图2.06 PN结的形成过程,1、PN结的形成,浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。交界面形成空间电荷区PN结。,2 PN结的导电特性,(1)PN结正向特性,正向导通,(2)PN结反向导电特性,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏，PN结导电；,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏，PN结不导电。,结论：PN结具有单向导电性!,（3）PN结
5、的导电特性,3 PN结的电容效应,(1)势垒电容CB,它由空间电荷区的离子薄层形成。当PN结上压降变化时，该薄层的厚度也随之改变，这相当于PN结中存储的电荷量在变，犹如电容的充放电。,图 2.09 势垒电容示意图,(2)扩散电容CD,CD是由多子扩散后，在结附近形成的多子浓度梯度分布而形成的，浓度梯度的变化，相当与电容的充放电。,图 2.10 扩散电容示意图,Cd,(3)电容效应,对高频信号，PN结的单向导电性受到影响。,CdCDCB（几个十几个pf）,1 二极管的结构类型,PN结加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有三大类。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于高频
6、电路。,2.3 半导体二极管,(3)平面型二极管,常用于集成电路工艺中。PN 结面积可大可小。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,（4）、二极管的符号,2 半导体二极管的伏安特性曲线,第一象限:正向特性；第三象限：反向特性。,图 2.12 二极管的伏安特性曲线,二极管的伏安特性曲线的近似表达。,IS：反向饱和电流；V：二极管两端的电压；VT=kT/q 室温下VT=26 mV。,(1)正向特性,硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。,1)0VVth时，正向电流为零，二极管截止;,正向区又分为两段：,2)VV
7、th时，正向电流，并按指数规律增长。,(2)反向特性,当V0时，处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,1)当VBRV0时，出现反向饱和电流IS,很小，基本不随反向电压的变化而变化。,2)当VVBR时，反向电流急增反向击穿。VBR称为反向击穿电压。,3 半导体二极管的参数,几个主要参数：,(1)最大整流电流IF,二极管连续工作时，允许通过的最大电流的平均值。,(2)反向击穿电压VBR,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VBR。,(3)反向电流IR,硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,(4)正向压降VF,硅二极管的正向压降约0.60.8V；锗二
8、极管约0.20.3V。,4 半导体二极管的温度特性,温度与反向电流呈指数规律。硅管每增加8，反向电流翻一翻；锗管每增加12，反向电流翻一翻。,每增加1，正向压降VF(VD)大约减小2mV，具有负的温度系数。,（1）反向情形,（2）正向情形,图 2.13 温度对二极管特性的影响,5、二极管电路分析,（1）理想模型,正向导通压降VD=0。,反向截止IR=0,（2）恒压模型,正向导通压降VD=0.7V，反向截止IR=0。,（3）折线模型,正向导通压降：VD=0.5V+ID*rD。,0.7V,0.5V,（4）电路举例,1）整流电路,2）限幅电路,10v,试画出输出Vo的波形。,试画出输出Vo的波形。,
9、6、稳压(齐纳)二极管,稳压二极管是工作在反向击穿区的特殊硅二极管。,(b),用于稳定它两端的输出电压。,稳压二极管主要参数,(1)稳定电压VZ,(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。,动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。rZ=VZ/IZ,(3)最大耗散功率 PZM,最大功率损耗取决于PN结的散热等条件。反向时PN结的功耗为 PZ=VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin,最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZIZmin则不能稳压。,稳压调节过程,八、变容二极管 利用二极管的结电容以及该电容大小与外接电压有关的特点制成。九、光电二极管 使用光敏材料制成，当光照强弱变化时，其反向电流大小亦随之变化。十、发光二极管 有电流通过时，发光二极管对外发光。十一、激光二极管 有电流通过时，激光二极管对外发激光。,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,
