第二章 半导体二极管及 应用电路,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。,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。,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。,硅和锗的共价键结构,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。,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。,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,自由电子,空穴,束缚电子,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。,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。,（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）,二 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。,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。,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，形成PN结。无净电流流过PN结。,PN结的形成,PN结形成过程分解：,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,PN结加正向电压的 情形,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,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,PN结加反向电压的情形,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:,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。 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。,2-3 半导体二极管,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,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。,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。,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。,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：,5. 二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：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。,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：,势垒电容和扩散电容的综合效应,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,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,图2-6为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,2-6,2-7,2 限幅电路： （1）双向限幅电路：如下图，设vi(t)=3sint,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）,2-8,2-8,2.5 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,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 ： 动态电阻的温度系数：,（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,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,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：,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）：,2-11,2-12,2.5.2 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。,2-13,2-14,2.5.3 .1光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,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。,第二章结束,