第二部分 模拟电路基础,第五章 半导体二极管及其应用 学习要点： 1.半导体二极管和稳压管的结构。 2. 半导体二极管和稳压管的应用电路。,5.1 半导体基础知识 5.1.1 本征半导体 导体就是可以导电的物体，如铜、铝、银等金属都是导体。 绝缘体就是不能导电的物体。如橡胶、陶瓷、塑料等都是绝缘体。 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。目前制作半导体器件的主要材料是硅（Si）和锗（Ge）。,人们重视半导体主要的原因是：它的导电能力在不同的条件下有着显著的差异。 例如，当有些半导体受到热或光的激发时，导电能力将明显增长。 又如在纯净的半导体中掺以微量“杂质”元素，半导体的导电能力将猛增到几千、几万乃至上百万倍。 利用半导体的热敏、光敏特性制作成半导体热敏元件和光敏元件。利用半导体的掺杂特性制造了种类繁多、具有不同用途的半导体器件，如晶体二极管、晶体三极管、场效应管等。 半导体材料导电能力变化的性质，取决于半导体材料的内部结构和导电机理。,导体一般为低价的元素，这些元素的最外层电子很容易挣脱原子核的束缚而成为游离在晶格中的自由电子，晶格中自由电子数目多的物体，导电能力较强；自由电子数目少的物质，导电能力较小。,绝缘体由高价元素或由高分子材料组成，这些物质共同的特点是：最外层电子受原子核的束缚力很强，很难成为晶格中的自由电子，所以晶格中自由电子的数目非常少，导电能力极差，成为绝缘体。,常用的半导体材料硅和锗均是4价元素，它们的最外层电子既不像导体那样容易挣脱原子核的束缚成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，内部没有自由电子，所以半导体的导电能力会介于导体和绝缘体之间。,5.1.2 本征激发和两种载流子 纯净的半导体称为本征半导体，本征半导体中的4价元素是靠共价键结合成分子，为本征半导体硅和锗晶体的原子结构示意图为。,在常温下，本征半导体内部仅有极少数的价电子可以在热运动的激发下，挣脱原子核的束缚而成为晶格中的自由电子。与此同时，在共价键中将留下一个带正电的空位子，称为空穴 。热运动激发所产生的电子和空穴总是成对出现的，称为电子-空穴对。 本征半导体因热运动而产生电子-空穴对的现象称为本征激发。,本征激发所产生的电子-空穴对在外电场的作用下都会作定向移动而形成电流。自由电子的移动与导体中自由电子移动的方式相同，都将形成一个与自由电子移动方向相反的电流。 空穴的移动可以看成是自由电子定向依次填充空穴而形成的，这种填充作用相当于教室的第一排有一个空位，后排的同学依次往前挪来填充空位，以人为参照系，人填充空位的作用等效于人不动，空位往后走。因空穴带正电，空穴的这种定向移动会形成与空穴运动方向相同的空穴电流。 在电子技术中把参与导电的物质称为载流子。所以本征半导体中有两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴。,本征半导体导电能力的大小与本征激发的激烈程度有关，温度越高，由本征激发所产生的电子-空穴对越多，本征半导体内部载流子的数目也越多，本征半导体的导电能力就越强，这就是半导体导电能力受温度影响的直接原因。 本征半导体本征激发的现象还与原子的结构有关，硅的最外层电子离原子核比锗的最外层电子近，所以硅最外层电子受原子核的束缚力比锗的强，本征激发现象比较弱，热稳定性比锗好。,5.1.3 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质，可以使杂质半导体的导电能力得到改善，并受所掺杂质的类型和浓度的控制。由于掺入半导体中的杂质不同，杂质半导体可分为N型和P型半导体两大类。,1N型半导体 在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量的5价元素，如磷（P）。掺入的杂质并不改变本征半导体硅（或锗）的晶体结构，只是半导体晶格点阵中的某些硅（或锗）原子被磷原子所取代。5价元素的4个价电子与硅（或锗）原子组成共价键后将多余一个价电子。这一多余的电子不受共价键的束缚，只需获得较小的能量，就能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。于是，半导体中自由电子的数量剧增。 成为自由电子导电的半导体。,2P型半导体 在本征半导体中掺入微量的3价杂质元素，如硼（B）。杂质原子取代晶体中某些晶格上的硅（或锗）原子，3价元素的3个价电子与周围4个原子组成共价键时，缺少一个电子而产生了空位。此空位不是空穴，所以不是载流子，但是邻近的硅（或锗）原子的价电子很容易来填补这个空位，于是在该价电子的原位上就产生了一个空穴，而3价元素却因多得了一个电子而成了负离子。,在这类半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目，导电是以空穴载流子为主，故称空穴型半导体，简称P型半导体。,杂质半导体增强了半导体的导电能力，利用特殊的掺杂工艺，可以在一块晶片的两边分别生成N型和P型半导体，在两者的交界处将形成PN结。PN结具有单一型的半导体所没有的特性，利用该特性可以制造出各种类型的半导体器件。,1PN结的形成 单个的P型半导体或N型半导体内部虽然有空穴或自由电子，但整体是电中性的，不带电。现利用特殊的掺杂工艺，在一块晶片的两边分别生成如图所示的N型和P型半导体。,因为P区的多子是空穴，N区的多子是电子，在两块半导体交界处同类载流子的浓度差别极大，这种差别将产生P区浓度高的空穴向N区扩散；与此同时，N区浓度高的电子也会向P区扩散。 扩散运动的结果形成空间电荷区。,空间电荷区随着电荷的积累将建立起一个内电场E，该电场对半导体内多数载流子的扩散运动起阻碍的作用，但对少数载流子的运动却起到促进的作用。少数载流子在内电场作用下的运动称为漂移运动。在无外电场和其他因素的激励下，当参与扩散的多数载流子和参与漂移的少数载流子在数目上相等时，空间电荷区电荷的积累效应将停止，空间电荷区内电荷的数目将达到一个动态的平衡，并形成如图所示的PN结。此时，空间电荷区具有一定的宽度，内电场也具有一定的强度，PN结内部的电流为零。,2PN结的单向导电性 处于平衡状态下的PN结没有实用的价值，PN结的实用价值只有在PN结上外加电压时才能显示出来。,（1）外加正向电压 在PN结上外加正向电压时的电路如图4-6所示，处在这种连接方式下的PN结称为正向偏置（简称正偏）。由图可见，当PN结处在正向偏置时，P型半导体接高电位，N型半导体接低电位。,处在正向偏置的PN结外电场和内电场的方向相反。在外电场的作用下，P区的空穴和N区的电子都要向空间电荷区移动，进入空间电荷区的电子和空穴分别与原有的一部分正、负离子中和，破坏了空间电荷区的平衡状态，使空间电荷区的电荷量减少，空间电荷区变窄，相应的内电场被削弱，这种情况有利于P区空穴和N区的电子向相邻的区域扩散，并形成扩散电流，即PN结的正向电流。,（2）外加反向电压 在PN结上外加反向电压时的电路如图所示，处在这种连接方式下的PN结称为反向偏置（简称反偏）。由图可见，当PN结处在反向偏置时，P型半导体接低电位，N型半导体接高电位。,由于少数载流子的数目有限，在一定范围内，反向电流极微小，该电流被称为反向饱和电流，用符号IS来表示。反向偏置时的PN结呈高电阻态，理想的情况下，反向电阻为，此时PN结的反向电流为0，PN结不导电，即PN结处在截止的状态。,由以上的分析可见，PN结的导电能力与加在PN结上电压的极性有关。当外加电压使PN结处在正向偏置时，PN结会导电；当外加电压使PN结处在反向偏置时，PN结不导电。PN结的这种导电特性称为PN结的单向导电性。 PN结的单向导电性用符号 来表示，其中箭头所在的那一侧表示P型半导体，箭头所指的方向就是PN结处在正向偏置时电流的流向。,3PN结的电流方程 根据半导体材料的理论可得加在PN结上的端电压u与流过PN结的电流i之间的关系为,上式是描述流过PN结的电流随输入电压而变化的电流方程，式中的IS为反向饱和电流，q为电子电量，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。 令 UT称为温度电压当量，在T=300K的常温下，温度电压当量 UT26mV。将温度电压当量的表达式代入可得,4PN结的伏-安特性曲线,当PN结外加正向电压uUT时，正向偏置,当PN结外加反向电压|u|UT时，反向偏置,5.2 半导体二极管 利用PN结单向导电的特性可以制作电子电路中常用的器件半导体二极管。,4.2.1 半导体二极管的结构 将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线后就构成半导体二极管。由P区引出的电极称为二极管的阳极（或正极），由N区引出的电极称为二极管的阴极（或负极），常用二极管的外形如图所示。,4.2.2 二极管的伏-安特性曲线,1正向特性 当正向电压超过二极管开启电压Uon时，二极管才呈现低电阻值，处于正向导通的状态。通常硅管为0.50.7V，锗管为0.20.3V。,2反向特性 在PN结加上反向电压时，已知少数载流子的漂移运动形成反向电流。当反向电压增大到UBR时，外电场能把原子核外层的电子强制拉出来，使半导体内载流子的数目急剧增加，反向电流突然增大，二极管呈现反向击穿的现象。二极管被反向击穿后，就失去了单向导电性，将引起电路故障，使用时一定要注意避免二极管发生反向击穿的现象。,5.2.5 二极管的等效电路,图（a）所示的折线化伏-安特性曲线表明二极管导通时的正向压降为零，截止时反向电流为零，称为理想二极管。,图（b）所示的折线化伏-安特性曲线表明二极管导通时的正向压降为一个常量Uon，对于硅管Uon=0.7V，锗管Uon=0.3V，截止时反向电流为零。因而等效电路是理想二极管串联电压源Uon。,图（c）所示的折线化伏-安特性表明当二极管的正向电压u大于Uon后，流过二极管的电流与电压成正比，比例系数为1/rD，二极管截止时反向电流为零。因而等效电路是理想二极管串联电压源Uon和电阻rD，且rD=U/I。该模型也称为二极管微变等效电路模型。,5.3 二极管应用 二极管在电子电路中主要起整流、限幅、开关的作用。,5.3.1 二极管整流电路和检波电路,比较图5-12所示的两个电路可得，半波整流电路和二极管检波电路的结构完全相同，它们之间的差别主要在工作频率上。半波整流是对50Hz的工频交流电进行整流，频率低，电流大，应选择低频、高功率的二极管作整流管；而检波电路是工作在高频小功率的场所，所以应选择高频小功率管作检波管。,5.3.2 桥式整流电路,该电路的工作原理是：当输入信号ui处在正半周时，二极管VD1和VD3接通，VD2和VD4中断，电流从端子a出发，经VD1、R、VD3回到端子b，并产生u0=iR的输出电压；当输入信号ui处在负半周时，二极管VD2和VD4接通，VD1和VD3中断，电流从端子b出发，经VD2、R、VD4回到端子a，同样产生u0=iR的输出电压。,根据输出电压脉动系数S的定义，得到整流输出电压的基波峰值电压UOM与输出电压的平均值UO（AV）的比为,5.3.3 倍压整流电路,5.3.4 限幅电路,5.3.5 与门电路,输入-输出信号的波形清晰的显示出该电路的逻辑关系是“有0出0”，验证了该电路为与门电路的结论。,【例5-1】求如图5-19所示电路的输出电压Uab的值。,【解】求Uab的关键点是判断二极管VD1和VD2的通、断状态。二极管VD1和VD2的通、断状态可根据它们的偏置来判断。判断的方法是：先找出电路的最高和最低电位点，观察这些点与二极管正、负极的连接情况，即可确定二极管的偏置状态。 在电路中，电源的正极接地，所以，接地点是电路的最高电位点；因二极管VD2的负极与电路的最低电位点-6V相接，所以，二极管VD2因正向偏置而导通，二极管VD1因反向偏置而截止，设二极管导通的电压为0.7V，则,5.4 稳压管 5.4.1 稳压管的结构和特性曲线 采用特殊的工艺制成在反向击穿状态下工作、而不损坏的二极管，就是稳压管。,5.4.2 稳压管的主要参数 1稳定电压UZ 稳定电压UZ是稳压管正常工作时管子两端的电压，也是与稳压管并联的负载两端的工作电压，按需要可在半导体器件手册中选用。 2稳定电流IZ 稳定电流IZ是稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚