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1、模拟电子技术第一章 半导体二极管及其应用电路 本章主要内容： 1.1 半导导体的基础础知识识 1.2 半导导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 半导导体二极管的应应用 1.5 本章小结结1.1 半导体基础知识 1.1.1 半导导体的导电导电特性 1.1.2 PN结结 1.1.1 半导体的导电特性自然界中的各种物质按其导电性 能的不同可划分为：导体、半导体和 绝缘体。半导体的导电性能介于导体 和绝缘体之间.常见的半导体材料是硅(Si)和锗 (Ge),它们都是+4价元素.硅的热稳定性比锗好. 1.1.1 半导体的导电特性一、半导体的特点1.热敏性 2.光敏性3.掺杂性温度、光照、是否掺入杂质元素
2、这 三方面对半导体导电性能强弱影响很大 。当半导体温度升高、光照加强、掺入 杂质元素，其导电能力将大大增强。1.1.1 半导体的导电特性二、本征半导体半导体按其是否掺入杂质来划分， 又可分为：本征半导体和杂质半导体。 完全纯净的、结构完整的半导体晶 体称为本征半导体。在绝对0K（-273oC），本征半导体 基本不导电。1.1.1 半导体的导电特性（1）本征半导体的原子结构及共价键共价键内的两个电子由相邻的原 子各用一个价电子组成，称为束缚电 子。价电子4 4 4 4 4 4 4 4 4 4共价键的 两 个价电子1.1.1 半导体的导电特性（2）本征激发现象当温度升高或受光照射时，共价键中的价电
3、 子获得足够能量，从共价键中挣脱出来，变成自 由电子；同时在原共价键的相应位置上留下一个 空位，这个空位称为空穴,电子-空穴对就形成了.自由电子abc444444444共价键的 两个价电 子空穴1.1.1 半导体的导电特性在外电场或其他能源的作用下，邻近 的价电子和空穴产生相对的填补运动。这 样，电子和空穴就产生了相对移动，它们 的运动方向相反，而形成的电流方向是一 致的。由此可见，本征半导体中存在两种载 流子：自由电子和空穴，而导体中只有一 种载流子：自由电子，这是半导体与导体 的一个本质区别。 硼原子+ 4+ 4+ 4+ 4+ 3+ 4+ 4+ 4+ 41.1.1 半导体的导电特性三、杂质
4、半导体在本征半导体中加入微量杂质，可使其导 电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同， 杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体 和空穴型（P型）半导体。（1） P型半导体-掺入微量的三价元素（如硼 ）1.1.1 半导体的导电特性因此,+3价元素原子获得一个电 子,成为一个不能移动的负离子，而 半导体仍然呈现电中性。 P型半导体的特点： 多数载流子为空穴； 少数载流子为自由电子。1.1.1 半导体的导电特性（2） N型半导体-掺入微量的五价 元素(如磷) N型半导体: 多子-自由电 子少子-空穴 磷原子 4 4 4 4 5 4 4 4 4自由电子1.1.1 半导体的导电特性注意： v杂质半导体中
5、的多数载流子的浓度 与掺杂浓度有关；而少数载流子是因 本征激发产生，因而其浓度与掺杂无 关，只与温度等激发因素有关.P区 N区1.1.2 PN结 一PN结的形成在一块本征半导体的两边,分别形 成P型和N型半导体,在两种载流子交界 处会出现载流子的相对运动.扩散运动-多数载流子因浓度上的 差异而形成的运动.1.1.2 PN结扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏， 在交界面靠近P区一侧留下了不能移动的负离子， 靠近N区一侧留下了等量的正离子。P区和N区交界 面两侧形成的正、负离子薄层，称为空间电荷区, 其中无载流子。由于空间电荷区的出现，建立了PN 结的内电场。漂移运动-内电场的作用使载流子发
6、生的运动.P区 N区空间电荷区(耗 尽区势垒区)内电场1.1.2 PN结当扩散和漂移两种相反作用的运 动达到动态平衡时，形成的稳定空间 电荷区就叫做PN结。P区 N区PN结1.1.2 PN结二PN结的单向导电性 （1）外加正向电压正偏当PN结加上正向电压，即P区接电源正极(高电 位)，N区接电源负极(低电位)。此时，称PN结加 正向偏置电压，简称“正偏”. 变薄空穴 (多数)电子 (多数)R外电场内电场IFNP1.1.2 PN结正偏时由于PN结变薄,空间电荷 区消失(外加电场足够大),能导电的区 域增大,因此,PN结呈现出的正向电阻 小,流过的正向电流大.因此, PN结正偏导通.1.1.2 P
7、N结 （2）外加反向电压反偏当PN结加上反向电压，即P区接电源负极(低电 位)，N区接电源正极(高电位)。此时，称PN结加 反向偏置电压，简称“反偏”.NP变 厚IR0R外电场内电场电子 (少数)空穴 (少数)1.1.2 PN结反偏时由于PN结变厚, 不能导电的 区域增大,因此,PN结呈现出的反向电阻 很大,流过的反向电流很小,基本为0.因此, PN结反偏截止.PN结的单向导电性:正偏导通,反偏截止1.1.2 PN结三.PN结的反向击穿特性反向击穿:当PN结的反偏电压增加到某 一数值时，反向电流急剧增大的现象。PN结的击穿现象有下列两类：(1) 热击穿:不可逆,应避免(2) 电击穿:可逆,又分
8、为雪崩击穿和齐纳 击穿.1.1.2 PN结(1)雪崩击穿当反向电压足够高时（一般U6V ）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。这种形式的 击穿称为雪崩击穿.1.1.2 PN结(2)齐纳击穿对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（U4V），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 。1.1半导体基础知识小结本征半导体中，电子与空穴总是成对 出现。杂质半导体有：P型和N型。P型半导 体中，多子是空穴
9、，少子是电子；N型 半导体中，多子是电子，少子是空穴。在P型和N型半导体交界处形成的空 间电荷区就是PN结,其主要特性是单向 导电性正偏导通,反偏截止.1.2 半导体二极管 1.2.1 二极管的结构及其在电路中的 代表符号 1.2.2 二极管的伏安特性曲线 1.2.3 二极管的主要参数 1.2.4 二极管的命名 1.2.5 二极管的判别1.2.1二极管的结构及符号二极管本质上就是一个PN结 .它在电路中的代表符号和PN结是 相同的:P极 N极P极又称为阳极、正极N极又称为阴极、负极1.2.1二极管的结构及符号根据制造结构不同,常见的二极管有点接 触型, 面接触型和平面型.(a)点接触型 (b)
10、面接触型(c)平面型1.2.1二极管的结构及符号另外,按材料不同可分为：锗 二极管、硅二极管。其中，硅二极 管的热稳定性比锗二极管的热稳定 性要好的多。按用途不同可分为：普通二极 管、整流二极管、检波二极管、稳 压二极管、开关二极管、光电二极 管等。1.2.2二极管的V-I特性伏安特性是指二 极管两端的电压u 与流过二极管电 流i的关系。一正向特性 指二极管正偏 时的V-I特性,如 图中红色曲线所 示。iv/m A 0.2 0.4 0.6 0.8-V（BR）硅锗二极管伏安特性曲线1.2.2二极管的V-I特性正向特点: 正向电压较小时,不足以使二极管导通, i=0,此时的V-I曲线对应区域称为死
11、区 正向电压逐渐增大,二极管开始导通,此 时的电压成为门坎电压Uth硅管Uth=0.5V 锗管Uth=0.1V 当正向电压继续增大,二极管完全导通. 导通后两端电压基本为定值,称为二极 管的正向导通压降VD硅管VD=0.7V 锗管VD=0.3V1.2.2二极管的V-I特性二反向特性 指二极管反偏时的 V-I特性,如图中绿色 曲线所示。二极管外加反向电 压时，反向电流很小 （I-IS），而且在 相当宽的反向电压范 围内，反向电流几乎 不变，因此，称此电 流值为二极管的反向 饱和电流。iv/m A 0.2 0.4 0.6 0.8-V（BR）硅锗二极管伏安特性曲线1.2.2二极管的V-I特性三二极管
12、的等效电路模型 （1）理想电路模型 反偏时，反向电流近似为零，相当于开关断 开（开路).- u +正偏时，其管压降为0.7V，忽略后相当于开 关闭合（短路）.+ u -1.2.2二极管的V-I特性（2）恒压降模型反偏时，反向电流近似为零，相当于开关断 开（开路).- u +正偏时，管压降为VD不做忽略,正向电阻小近 似为0,相当于一个大小为VD,方向从P到N的电 压源.+ u - + VD -1.2.3二极管的主要参数器件的参数是对其特性的定量描述 , 是正确使用和合理选择器件的依据. 一、二极管的直流参数 （1）最大整流电流IFM （2）最高反向工作电压URM （3）反向电流IR （4）直流
13、电阻RD1.2.3二极管的主要参数二、二极管的交流参数 （1）交流电阻rd 交流电阻rd是工作点Q附近电压与 电流的变化量之比，即 ：1.2.3二极管的主要参数（2）结电容CjPN结的结电容Cj由两部分组成：势垒 电容CB和扩散电容CD。势垒电容CB 势垒电容的影响主要表现在反向偏置状 态时。 扩散电容CD 该等效电容是由载流子的扩散运动随外 电压的变化引起的.1.2.3二极管的主要参数（3）最高工作频率fM二极管的最高工作频率fM主要由结 电容的大小来决定。 若工作频率超过了最高工作频率fM ，则二极管的单向导电性变坏。1.2.4二极管的命名我国国产半导体器件的命名方法采用国家 GB249-
14、74标准。1.2.4二极管的命名1.2.5二极管的检测与判别一、判别方法：识别法：通过二极管管壳上的符号、标 志来识别.例如有标记的一端一般为N极.检测法：用万用表的欧姆档，量程为 R100或R1k档测量其正反向电阻（一般不用R1档，因为电流太大；而 R10k档的电压太高，管子有被击穿 的危险）.1.2.5二极管的检测与判别1.2.5二极管的检测与判别二、检测法判别步骤 （1）二极管好坏的判别 若测得的反向电阻很大（几百千欧以上 ），正向电阻很小（几千欧以下），表 明二极管性能良好。若测得的反向电阻和正向电阻都很小， 表明二极管短路，已损坏。若测得的反向电阻和正向电阻都很大， 表明二极管断路，
15、已损坏。1.2.5二极管的检测与判别（2）二极管正、负极性的判断 将万用表红、黑表笔分别接二 极管的两个电极，若测得的电阻值很 小（几千欧以下），则黑表笔所接电 极为二极管正极，红表笔所接电极为 二极管的负极；若测得的阻值很大（ 几百千欧以上），则黑表笔所接电极 为二极管负极，红表笔所接电极为二 极管的正极。1.3 特殊二极管 1.3.1 硅稳压二极管 1.3.2 光电二极管和光电池 1.3.3 发光二极管1.3.1 硅稳压二极管稳压二极管是一种特殊工艺制造的结 面型硅二极管,通常工作在反向击穿状态.一、V-I特性和符号1.3.1 硅稳压二极管 二、稳压管的主要参数 （1）稳定电压UZ （2）最小稳定电流IZmin （3）最大稳定电流IZmax （4）额定功耗PZ （5）动态电阻rZ （6）温度系数z1.3.1 硅稳压二极管三
