(二极管)剖析

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1、第一章 半导体二极管,1.1 半导体的基础知识,一、本征半导体,1导电材料分类：导体： 电的良导体，如纯金属及其合 金、 酸碱盐水溶液等。,绝缘体： 电的不良导体，如陶瓷、橡胶等。,半导体 ： 导电能力介于导体和绝缘体之间的 物质，如硅、锗、砷化镓等。,2本征半导体： 纯净的晶体结构完整的半导体。 如硅、锗单晶体。（均为4价元素）,本征半导体：,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,本征激发 电子空穴 成对产生,自由电子（带负电-e),空穴（带正电+e),3.本征激发：,4.载流子 ：自由运动的带电粒子：电子带负电： e=-1.610-19c, 空穴带正电: e=1.610-1

2、9c.,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,复合（电子空穴对成对消失）,5.复 合： 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,电子电流:IN,空穴电流:IP,6.漂 移：自由电子在电场作用下沿电场的反方向定向运动形成电子电流IN。共有电子的递补运动，相当于空穴沿电场的方向运动形成空穴电流IP。,共有电子 递补运动,7. 两种载流子: 电子(自由电子)和空穴。 8. 两种载流子的运动：自由电子(在共价键以外)的运动 ； 空穴(在共价键以内)的运动。,结论： 1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导

3、体导电能力弱，并与温度有关。,二、杂质半导体,在本征半导体中参入微量杂质元素可提高半导体的导电能力，参杂后的半导体称为杂质半导体。根据参入杂质的不同可分为N型半导体和P型半导体。,1.N 型半导体和 P 型半导体,电子为多数载流子 空穴为少数载流子,空穴为多数载流子 电子为少数载流子,2.杂质半导体的导电性能:主要取决于多子浓度，而多子浓度主要取决于掺杂浓度，其值较大且稳 定，因此导电性能得到明显提高。少子浓度主要与本征激发有关，对温度敏感，温度升高，其值增大。,三、 PN 结,1.PN结（PN Junction）的形成,P区和N区交界面处形成的区域称为PN结。 形成原因主要有以下三个： (1

4、)载流子的浓度差引起多子的扩散 (2)复合使交界面形成空间电荷区 (耗尽层) (3)扩散和漂移达到动态平衡,扩散运动是浓度差决定的自 然现象；漂移运动则是电场 作用下产生的。,2.PN结的单向导电性,（1）正向偏置：P区接高电位，N区接低电位，简称PN结正偏。 PN结正偏:外电场使多子向PN结移动，中和部分离子使空间电荷区变窄。扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子-I少子I多子 PN结处于导通状态且呈低阻特性。 （2）反向偏置： P区接低电位，N区接高电位，简称PN结反偏。 PN结反偏：外电场使多子子背离PN结移动，空间电荷区变宽。漂移运动加强 形成反向电流IR IR=I少子0 PN结处

5、于截至状态且呈高阻特性。 结论：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,3.PN结的击穿特性,（5）齐纳击穿：由高浓度掺杂材料制成的PN结中耗尽区宽度很窄，即使反向电压不高也容易在很窄的耗尽区中形成很强的电场，将价电子直接从共价键中拉出来产生电子-空穴对，致使反向电流急剧增加，这种击穿称为齐纳击穿。,（1）反向击穿：当加于PN结两端的反向电压增大到一定值时，二极管的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。,（2）电击穿：反向击穿后，只要反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，PN结一般不会损坏。若反向电压下降到击穿电压以下后，其性能可

6、恢复到原有情况，即这种击穿是可逆的，称为电击穿；,（3）热击穿：若反向击穿电流过大，则会导致PN结结温过高而烧坏，这种击穿是不可逆的，称为热击穿。,（4）雪崩击穿：当反向电压足够大时，PN结的内电场加强，使少子漂移速度加快，动能增大，通过空间电荷区与原子相撞，产生很多的新电子-空穴对，这些新产生的电子又会去撞击更多的原子，这种作用如同雪崩一样，使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，因为这种PN结的阻挡层宽，因碰撞而电离的机会就多。,一、 半导体二极管的结构和类型,构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode) 符号：阳极（正极） 阴极（负极）

7、 分类： 1.根据材料 硅二极管、锗二极管 2.根据结构 点接触型、面接触型、平面型,1二极管的结构和符号,二极管常见外型图：,1 .2 二极管的特性及主要参数,二极管由一个PN结构成，具有单向导电性。二极管电流ID随外加于二极管两端的电压uD的变化规律 ，称为二极管的伏安特性曲线。,二、二极管的伏安特性,1二极管的伏安特性曲线,2.PN 结的伏安方程：,3.二极管的伏安特性,a.当外加正向电压小于Uth时，外电场不足以克服PN结的内电场对多子扩散运动造成的阻力，正向电流几乎为零，二极管呈现为一个大电阻，好像有一个门坎，因此将电压Uth称为门槛电压(又称死区电压)。在室温下硅管Uth0.5V，

8、锗管Uth0.1V。,b.当外加正向电压大于Uth后，PN结的内电场大为削弱，二极管的电流随外加电压增加而显著增大，电流与外加电压呈指数关系.,（1）正向特性：,导通电压:,正向压降: 硅管约为0.60.8V; 锗管约为0.10.3V; 用UD(n)表示。,uDUD(n)时：iD很小，二极管截止；,工程上一般取：硅管UD(n)=0.7V， 锗管UD(n)=0.2V。,a.反向击穿类型： 电击穿 PN结未损坏，断电即恢复。 热击穿 PN结烧毁。,（2）反向特性： 二极管两端加上反向电压时，反向饱和电流IS很小（室温下，小功率硅管的反向饱和电流IS小于0.1A。,（3）反向击穿特性 二极管两端反向

9、电压超过U(BR)时，反向电流IR随反向电压的增大而急剧增大， U(BR) 称为反向击穿电压。,b.反向击穿原因： 齐纳击穿(Zener)：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 6 V，正温度系数)击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。,(4)温度对二极管特性的影响 温度对二极管的特性有显著影响。在室温附近，温度每升高1，正向压降约减小2-2.5mV。,三、二极管的主要参数,IF 最大整流电流(最大正向平均电流) URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 IR 反向电流(越小单向导电性越好) fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差) 影响工作频率的原因 PN 结的电

10、容效应,结论： 1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。高频时，因容抗减小，使结电容分流，导致单向导电性变差。 2. 结面积小时结电容小，工作频率高。,一、理想二极管及二极管特性的折线近似,理想二极管：正向偏置时导通，电压降为零；反向偏置时截止，电流为零；反向击穿电压为无穷大。将二极管的伏安特性曲线用两段直线来逼近，称为二极管特性曲线折线近似。,1.理想二极管模型,2.二极管的恒压降模型,忽略二极管的导通电阻rD的二极管特性曲线和等效电路,称为二极管恒压降模型.如下图所示.,1 .3 二极管电路的分析方法,3.二极管的折线近似模型 外加电压远大于二极管的导通电压UD(on)时,忽略U

11、D(on)的影响,将二极管的特性曲线用从坐标原点出发的两段折线逼近,称为二极管的折线模型.,4.直流电阻：,Q,ID,UD,5.交流电阻：,例1、二极管为硅管，其中R = 3 k，试分别用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD =3V 和VDD= 10 V 时 IO 和 UO 的值。,解：1、VDD = 3 V （1）理想：UO = VDD = 3 V； IO = VDD / R = 3 / 3 = 1 (mA) （2）恒压降：UO = VDD UD(on) = 3 0.7 = 2.3 (V) IO = UO / R = 2.3 / 3= 0.77 (mA),2、VDD = 10V （1）理想

12、: IO = VDD / R =10 / 3 =3. 33(mA) （2）恒压降: UO= VDDUD(on) = 100.7 = 9.3 (V) IO = UO / R = 9.3 / 3 = 3. 1(mA),结论：VDD 大，采用理想模型 ； VDD 小， 采用恒压降模型。,例2 试求电路中电流 I1、I2、IO 及输出电压 UO 的值。 解：假设二极管断开 UP = 15 V,归纳：,1、理想二极管： 正偏导通，电压降为零，相当于开关闭合； 反偏截止，电流为零，相当于开关断开。,2、恒压降模型： 正偏电压 UD(on) 时导通，等效为恒压源UD(on) 否则截止，相当于二极管支路断开。

13、,一、稳压二极管,1.稳压二极管的伏安特性:,正向运用：相当于导通二极管 VZ=0.7V 反向运用：VZ=V反，起稳压作用,1 .4 特殊二极管,2、稳压二极管主要参数 （1）稳定电压UZ。稳定电压指流过规定电流时稳压二极管两端的反向电压值。 （2）稳定电流IZ。稳定电流是稳压二极管稳压工作时的参考电流值，通常为工作电压等于UZ时所对应的电流值。当工作电流低于IZ时，稳压效果变差，若低于IZmin时，稳压管将失去稳压作用。,(3)最大耗散功率PZM和最大工作电流IZM。PZM和IZM是为了保证管子不被热击穿而规定的极限参数，由管子允许的最高结温决定，PZM=IZMUZ。,(4)动态电阻rZ。动

14、态电阻是稳压范围内电压变化量与相应的电流变化量之比，即rZ=UZ/IZ，rZ值很小，约几欧到几十欧。rZ越小，即反向击穿特性越陡，稳压性能就越好。,(5)电压温度系数CT。电压温度系数指温度每增加1时，稳定电压的相对变化量，即 CT=UZ/UZT100%,例1. 试分析如图所示简单稳压电路的工作原理，其中R 为限流电阻。 分析：,IR = IZ + IL UO= UI IR R,当UI 波动时（RL不变）,IZ,UO,UI,IR,UO,增减相消,当RL 变化时（ UI不变）,RL,UO,IZ,IR,UO,减增相消,例2、图中信号电源电压为正弦电压，设二极管是理想二极管，试画出电路的输出电压。,

15、解：ui=Uimsint ui正半周，VD导通，uo=ui Ui负半周，VD截止，uo=0,例3、图中信号电源电压为正弦电压ui=5sint(V)，二极管为理想二极管，试画出电路的输出电压。,解（1）ui正半周：V2截止， ui3V时V1导通，uo=3V.,(2)ui负半周：V1截止， ui3V时， V2导通,uo= -3V。,二、发光二极管LED（Light Emitting Diode）,发光二极管是一种通正向电流时就会发光的二极管，根据制成材料的不同，可发出红、橙、黄、绿、蓝色光。发光二极管电路路符号如下图所示。发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，不过它的正向导通电压大于1V，同时发光的亮度随通过的正向电流增大而增强，工作电流为几个毫安到几十毫安，典型工作电流为10mA左右。发光二极管的反向击穿电压一般大于5V，但为使器件稳定可靠工作，应使其工作在5V以下。,光电二极管的结构与普通二极管类似，使用时光电二极管PN结工作在反向偏置状态，在光的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升(这时的反向电流叫光电流)，所以，光电二极管是一种将光信号转为电信号的半导体器件，其电路符号如下图所示。另外，光电流还与入射光的波长有关。在无光照射时，光电二极管的伏安特性和普通二极管一样，此时的反向电流叫暗电流，一般在几微安，甚至更小。,三、光电二极管,光电二极管,红外线接收器