《精编》半导体二极管培训教程

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1、第一章半导体二极管 1 1半导体基础知识1 2 半导体二极管的特性及主要参数1 3二极管电路的分析方法1 3特殊二极管1 3半导体二极管特性的测试与应用 1 1半导体基础知识物质按导电性能可分为导体 绝缘体和半导体 物质的导电特性取决于原子结构 导体一般为低价元素 如铜 铁 铝等金属 其最外层电子受原子核的束缚力很小 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子 因此在外电场作用下 这些电子产生定向运动 称为漂移运动 形成电流 呈现出较好的导电特性 高价元素 如惰性气体 和高分子物质 如橡胶 塑料 最外层电子受原子核的束缚力很强 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子 所以其导电性极差 可作为绝缘材料 而

2、半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚 成为自由电子 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧 因此 半导体的导电特性介于二者之间 1 1 1本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体 常用的半导体材料是硅和锗 它们都是四价元素 在原子结构中最外层轨道上有四个价电子 为便于讨论 采用图1 所示的简化原子结构模型 把硅或锗材料拉制成单晶体时 相邻两个原子的一对最外层电子 价电子 成为共有电子 它们一方面围绕自身的原子核运动 另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上 即价电子不仅受到自身原子核的作用 同时还受到相邻原子核的吸引 于是 两个相邻的原子共有一对价电子 组成共价键结构 故晶体中

3、 每个原子都和周围的 个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来 如图 所示 图1 1硅和锗简化原子结构模型 图1 2本征半导体共价键晶体结构示意图 共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量 其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子 同时必然在共价键中留下空位 称为空穴 空穴带正电 如图1 所示 图1 3本征半导体中的自由电子和空穴 由此可见 半导体中存在着两种载流子 带负电的自由电子和带正电的空穴 本征半导体中 自由电子与空穴是同时成对产生的 因此 它们的浓度是相等的 我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度 即ni pi 下标i表示为本征半导体 价电子在热运动中获得能量产生了电子 空穴对 同时

4、自由电子在运动过程中失去能量 与空穴相遇 使电子 空穴对消失 这种现象称为复合 在一定温度下 载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的 载流子的浓度是一定的 本征半导体中载流子的浓度 除了与半导体材料本身的性质有关以外 还与温度有关 而且随着温度的升高 基本上按指数规律增加 因此 半导体载流子浓度对温度十分敏感 对于硅材料 大约温度每升高 本征载流子浓度ni增加1倍 对于锗材料 大约温度每升高 增加1倍 除此之外 半导体载流子浓度还与光照有关 人们正是利用此特性 制成光敏器件 1 1 2杂质半导体1 型半导体 在本征半导体中 掺入微量 价元素 如磷 锑 砷等 则原来晶格中的某些硅 锗 原子被杂质

5、原子代替 由于杂质原子的最外层有 个价电子 因此它与周围 个硅 锗 原子组成共价键时 还多余1个价电子 它不受共价键的束缚 而只受自身原子核的束缚 因此 它只要得到较少的能量就能成为自由电子 并留下带正电的杂质离子 它不能参与导电 如图 所示 显然 这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度 即nn pn 下标 表示是 型半导体 主要靠电子导电 所以称为 型半导体 由于 价杂质原子可提供自由电子 故称为施主杂质 型半导体中 自由电子称为多数载流子 空穴称为少数载流子 图1 4N型半导体共价键结构 2 P型半导体 在本征半导体中 掺入微量 价元素 如硼 镓 铟等 则原来晶格中的某些硅 锗 原子被

6、杂质原子代替 图1 5P型半导体的共价键结构 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 一 PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 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 1 1 3 结 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 对于P型半导体和N型半导体结合面 离子薄层形成的空间电荷区称为PN结 在空间电荷区

7、由于缺少多子 所以也称耗尽层 图1 6PN结的形成过程 PN结形成的过程可参阅图1 6 二 PN结的单向导电性 如果外加电压使PN结中 P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 PN结具有单向导电性 若外加电压使电流从P区流到N区 PN结呈低阻性 所以电流大 反之是高阻性 电流小 P区的电位低于N区的电位 称为加反向电压 简称反偏 1 PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区 方向与PN结内电场方向相反 削弱了内电场 于是 内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性 PN结加正向电压时的导电情

8、况如图1 7所示 图1 7PN结加正向电压时的导电情况 2 PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区 方向与PN结内电场方向相同 加强了内电场 内电场对多子扩散运动的阻碍增强 扩散电流大大减小 此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 PN结呈现高阻性 在一定的温度条件下 由本征激发决定的少子浓度是一定的 故少子形成的漂移电流是恒定的 基本上与所加反向电压的大小无关 这个电流也称为反向饱和电流 PN结加反向电压时的导电情况如图1 8所示 图1 8PN结加反向电压时的导电情况 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 P

9、N结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 图1 9PN结加反向电压时的导电情况 1 2半导体的特性及主要参数 1 2 1半导体二极管的结构类型 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分有点接触型 面接触型和平面型三大类 它们的结构示意图如图1 10所示 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 往往用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 图1 10半导体二极管的结构和符号 1 2 2二极管的伏安特性 图1 11二极管的伏安特性曲线 1 正向特性 当U

10、 0即处于正向特性区域 正向区又分为两段 当0 U Uth时 正向电流为零 Uth称为死区电压或开启电压 当U Uth时 开始出现正向电流 并按指数规律增长 硅二极管的死区电压Uth 0 5V左右 锗二极管的死区电压Uth 0 1V左右 实际电路中二极管导通时的正向压降 硅管的 约为 V 锗管的 约为 V 通常取硅管 on 0 7V 锗管 on 0 2V 2 反向特性 二极管加反向电压 反向电流数值很 3 二极管的温度特性 二极管的特性对温度很敏感 温度升高 正向特性曲线向左移 反向特性曲线向下移 其规律是 在室温附近 在同一电流下 温度每升高 正向压降减小 V 温度每升高 反向电流约增大1倍

11、 小 且基本不变 称反向饱和电流 硅管反向饱和电流为纳安 数量级 锗管的为微安数量级 当反向电压加到一定值时 反向电流急剧增加 产生击穿 普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上 高反压管可达几千伏 1 2 3二极管的击穿特性 当反向电压超过反向击穿电压UB时 反向电流将急剧增大 而PN结的反向电压值却变化不大 此现象称为PN结的反向击穿 有两种解释 雪崩击穿 当反向电压足够高时 U 6V PN结中内电场较强 使参加漂移的载流子加速 与中性原子相碰 使之价电子受激发产生新的电子空穴对 又被加速 而形成连锁反应 使载流子剧增 反向电流骤增 齐纳击穿 对掺杂浓度高的半导体 PN结的耗尽层很薄 只要加

12、入不大的反向电压 U 4V 耗尽层可获得很大的场强 足以将价电子从共价键中拉出来 而获得更多的电子空穴对 使反向电流骤增 1 2 4二极管的主要参数1 最大整流电流 它是二极管允许通过的最大正向平均电流 工作时应使平均工作电流小于 如超过 二极管将过热而烧毁 此值取决于 结的面积 材料和散热情况 2 最大反向工作电压 这是二极管允许的最大工作电压 当反向电压超过此值时 二极管可能被击穿 为了留有余地 通常取击穿电压的一半作为 3 反向电流 指二极管未击穿时的反向电流值 此值越小 二极管的单向导电性越好 由于反向电流是由少数载流子形成 所以 值受温度的影响很大 4 最高工作频率 的值主要取决于

13、结结电容的大小 结电容越大 则二极管允许的最高工作频率越低 1 3二极管电路的分析方法 线性化 用线性电路的方法来处理 将非线性器件用恰当的元件进行等效 建立相应的模型 1 理想二极管模型 相当于一个理想开关 正偏时二极管导通管压降为0V 反偏时电阻无穷大 电流为零 2 理想二极管串联恒压降模型 二极管导通后 其管压降认为是恒定的 且不随电流而变 典型值为0 7V 该模型提供了合理的近似 用途广泛 注意 二极管电流近似等于或大于1mA正确 3 折线模型 修正恒压降模型 认为二极管的管压降不是恒定的 而随二极管的电流增加而增加 模型中用一个电池和电阻rD来作进一步的近似 此电池的电压选定为二极管

14、的门坎电压Uth 约为0 5V rD的值为200欧 由于二极管的分散性 Uth rD的值不是固定的 4 小信号模型 如果二极管在它的V I特性的某一小范围内工作 例如静态工作点Q 此时有uD UD iD ID 附近工作 则可把V I特性看成一条直线 其斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻rd 1 4 1稳压二极管 图1 12稳压管伏安特性和符号 1 4特殊二极管 图1 17稳压管电路 1 稳定电压Uz 稳定电压是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压 由于稳定电压随着工作电流的不同而略有变化 因而测试Uz时应使稳压管的电流为规定值 稳定电压 是根据要求挑选稳压管的主要依据之一 不同型号的稳

15、压管 其稳定电压值不同 同一型号的管子 由于制造工艺的分散性 各个管子的 值也有差别 例如稳压管 DW7C 其 1 V 表明均为合格产品 其稳定值有的管子是 V 有的可能是 V等等 但这并不意味着同一个管子的稳定电压的变化范围有如此大 2 稳定电流Iz 稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流 低于此值时稳压效果较差 工作时应使流过稳压管的电流大于此值 一般情况是 工作电流较大时 稳压性能较好 但电流要受管子功耗的限制 即Izmax Pz Uz 3 电压温度系数 指稳压管温度变化 时 所引起的稳定电压变化的百分比 一般情况下 稳定电压大于 V的稳压管 为正值 即当温度升高时 稳定电压值增大 如

16、CW 10 5V 说明当温度升高 时 稳定电压增大0 09 而稳定电压小于 V的稳压管 为负值 即当温度升高时 稳定电压值减小 如 CW11 V 若 表明当温度升高 时 稳定电压减小0 05 稳定电压在 V间的稳压管 其 值较小 稳定电压值受温度影响较小 性能比较稳定 4 动态电阻rz 是稳压管工作在稳压区时 两端电压变化量与电流变化量之比 即 值越小 则稳压性能越好 同一稳压管 一般工作电流越大时 值越小 通常手册上给出的 值是在规定的稳定电流之下测得的 5 额定功耗Pz 由于稳压管两端的电压值为 而管子中又流过一定的电流 因此要消耗一定的功率 这部分功耗转化为热能 会使稳压管发热 取决于稳压管允许的温升 1 4 2光电二极管1 发光二极管 图1 13发光二极管符号 2 光敏二极管 图1 14光电二极管符号 1 5半导体二极管特性珠测试与应用 1 5 1半导体器件型号命名方法一 半导体器件的型号由五个部分组成 二 的型号组成部分的符号及其意义 见教材P18表 附 二极管的应用二极管的运用基础 就是二极管的单向导电特性 因此 在应用电路中 关键是判断二极管的导通或截止 二极管导通时一般