《电路与模拟电子技术基础(第2版)第五章 半导体二极管及直流稳压电源》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电路与模拟电子技术基础(第2版)第五章 半导体二极管及直流稳压电源（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 5.1 半导体的基础知识 5.2 半导体二极管 5.3 晶体二极管电路的分析方法 5.4 晶体二极管的应用及直流稳压电源 5.5 半导体器件型号命名及方法 1 物质的导电性能(电阻率)决定于原子结构，最外层电子数目越少，导电性越强。 可分为：导体、绝缘体和半导体。 2 导体：一般为低价元素，如铜、铁、铝，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流 绝缘体：一般为高价元素或高分子物质（如惰性气体、塑料等）其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。 3 4 本征半导体本征半导体是纯净
2、是纯净的晶体结构的半导体。的晶体结构的半导体。 半导体半导体硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子），均为四价元素，它们原子 的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 无杂质无杂质 稳定的结构稳定的结构 5 本征晶体中各原子之间靠得很近，使原 分属于各原子的四个价 电子同时受到相邻原子 的吸引，分别与周围的 四个原子的价电子形成 共价键。共价键中的价 电子为这些原子所共有， 并为它们所束缚，在空 间形成排列有序的晶体。 如图所示： 两个电子 的共价键 正离子核 +4+4+4+4+4+4+4+4+46 这一现象称为这
3、一现象称为本征激发，本征激发，也称也称热激发热激发。 自由电子与空穴相碰同时消失，称为自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合复合 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度 一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价 键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度 加大。 动态平衡动态平衡 +4+4+4+4+4+4+4+4+4由于热运动，具有足够能量的价电子 挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子 自由电子的产生使共价键中留有一个 空位置，称为空穴空穴 7 两种两种载流子载流子 （成对产生）（成对产生） 外加电场时外加电场时，带，带负电的自由电负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电， 且运
4、动方向相反且运动方向相反。 由于由于载流子数目很少，故导电载流子数目很少，故导电 性很差。性很差。 运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。 温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强流子浓度增大，导电性增强。 8 +4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子 空穴空穴 由于共价键中出现了空 穴，在外加能源的激发 下，邻近的价电子有可 能挣脱束缚补到这个空 位上，而这个电子原来 的位置又出现了空穴， 其它电子又有可能转移 到该位置上。这样一来 就出现了电荷迁移电 流。 电流的方向与电子移动 的方向相反，与空穴移 动的方向相同。 空穴的运动空穴
5、的运动 本征半导体在不同的温度下，自由电子和空穴的浓度本征半导体在不同的温度下，自由电子和空穴的浓度 不同，导电性能也不同。在热力学温度不同，导电性能也不同。在热力学温度0 0度时为绝缘度时为绝缘 体。可以看出，本征半导体因为形成晶体结构导电性体。可以看出，本征半导体因为形成晶体结构导电性 很差。很差。 为什么还要将自然界的半导体变成的本征半导体？为什么还要将自然界的半导体变成的本征半导体？ 在变成本征半导体后，经过一些工艺过程，可以使得在变成本征半导体后，经过一些工艺过程，可以使得 半导体本身的导电性能变成人为可控的。半导体本身的导电性能变成人为可控的。 根据掺入杂质的不同，可分为根据掺入杂
6、质的不同，可分为N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 10 掺入掺入5价元素价元素 杂质磷（杂质磷（P） 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越 多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。 释放自由电子的杂质称为施主释放自由电子的杂质称为施主杂质杂质 1. N型半导体型半导体 +4+4+4+5+4+4+4+4+4多余电子易受热激发挣脱共价 键的束缚成为自由电子，并不产 生空穴。 N型半导体（Negative）的自 由电子的数目远远大于空穴的数 目，称自由电子为多数载流子， 它主要由杂质原子提供；空穴为 少数载流子，由热激发形成 11 N型半导体的结构示意图如图所示： 自由电
7、子 施主正离子 1. N型半导体型半导体 12 3掺入掺入3价元素杂质硼价元素杂质硼（B） P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多， 空穴浓度越高，导电性越强， 释放空穴的杂质称为受主杂质 2. P型半导体型半导体 因少一个电子产生空位，易由 其他电子填补，从而形成空穴。 在P型半导体（Positive）中空 穴的数目远远大于自由电子的数 目，称空穴为多数载流子，它主 要由掺杂形成；自由电子为少数 载流子，由热激发形成。 13 空穴 受主负离子 2. P型半导体型半导体 半导体器件是由这两种半导体为材料（P型半导体 和N型半导体）。它们是由于掺入了不同的杂质而 形成的，可以通过控制掺入杂质的多
8、少而控制其导 电性能。 把P型半导体和N型半导体做在一起，会产生什么样 的现象呢？ 15 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固 体均有之。 扩散运动扩散运动 P区空穴区空穴 浓度远高浓度远高 于于N区。区。 N区自由电区自由电 子浓度远子浓度远 高于高于P区。区。 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电 子浓度降低，产生内电场。 1.PN 结的形成结的形成 16 因电场作用 所产生的运动 称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡， 空间电荷区达到一个稳定的宽度，就形成了（平衡）PN结。 漂移运动漂移运动 由于扩散运动使P区与N
9、区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从 而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。 因浓度差 多子扩散 形成空间电荷区 促使少子漂移 阻止多子扩散 空间电荷区由于缺少载流子，所以电阻很高，是高 阻区。 空间电荷区又称为耗尽层、势垒层或阻挡层。 17 当当外加电压使外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称区的电位，称 为加为加正向电压：正向电压： 外电场与内电场方向相反，耗尽层变窄，扩散运动外电场与内电场方向相反，耗尽层变窄，扩散运动 加剧，由于外电源的作用，扩散运动（多数载流子的加剧，由于外电源的作用，扩散运动（多数载流子的 运动）不断
10、进行，形成正向电流，运动）不断进行，形成正向电流，PNPN结处于结处于导通导通状态。状态。 当外加电压使当外加电压使PN结中结中N区区的的电位高于电位高于P区区的电位，称为的电位，称为加加 反反向电压向电压： 外电场与内电场方向一致，耗尽层变宽，阻止扩散运动，外电场与内电场方向一致，耗尽层变宽，阻止扩散运动， 有利于漂移运动，由于外电源的作用，漂移运动（少数有利于漂移运动，由于外电源的作用，漂移运动（少数 载流子的运动）不断进行，形成反向电流。电流很小，载流子的运动）不断进行，形成反向电流。电流很小， 故可忽略，近似认为其故可忽略，近似认为其截止截止。 20 (1) PN结加正向电压时 低电阻
11、 大的正向扩散电流 PN结的伏安特性 (2) PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流 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。 0.51.00iD/mAuD/V0.51.00.5iD=Is(A)1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电 相同，其等效电容称为势垒电容相同，其等效电容称为势垒电容Cb。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电
12、压变化时，在扩散路程中载流子结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 dbjCCC结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程结外加电压频率高到一定程 度，则失去单向导电性！度，则失去单向导电性！ PN结具有“电压变化引起电荷量变化”的 特征，就是PN结的的电容效应。 22 将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。 二极管按用途分有：普通二极管、整流二极管
13、、开关二极管、稳压二极管、发光二极管 二极管按材料分有：硅管、锗管和砷化镓管 二极管按结构分有点接触型、面接触型和硅平面型。 VD 23 小功率小功率 二极管二极管 大功率大功率 二极管二极管 稳压稳压 二极管二极管 发光发光 二极管二极管 24 二极管按结构分有点接触型、面接触型和硅平面型。 (1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电用于检波和变频等高频电 路。路。 (a)点接触型 金属触丝阴极引线阳极引线N型锗片外壳25 （b）面接触型 （c）硅平面型 （d）代表符号 (2) 面接触型二极管 PNPN结面积大，用于结面积大，用于 工频大电流
14、整流电路。工频大电流整流电路。 (b)(b)面接触型面接触型 1. 半导体二极管的结构 （3）硅平面型 结面积可小、可大，小的工结面积可小、可大，小的工 作频率高，大的结允许的电作频率高，大的结允许的电 流大流大 材料材料 开启电压开启电压 导通电压导通电压 反向饱和电流反向饱和电流 硅硅Si 0.5V 0.50.8V 1A以下 锗锗Ge 0.1V 0.10.3V 几十A )(ufi 开启开启 电压电压 反向饱反向饱 和电流和电流 击穿击穿 电压电压 mV)26( ) 1e (TSTUIiUu 常温下温度的温度的 电压当量电压当量 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电
15、压的关系称为伏安特性。 导通导通 电电压压 TeSTUu IiUu，则若正向电压) 1e (T SUu Ii2. 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响 T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移 正向特性为正向特性为 指数曲线指数曲线 反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线 增大增大1倍倍/10 STIiUu，则若反向电压28 锗二极管2AP15的伏安特性 29 硅二极管的死区电压Uth=0.5 V左右 锗二极管的死区电压Uth=0.1 V左右 当0uD Uth时，正向电流为零， Uth称为死区电压或开启电压(Uon)。 当uD0即处于正向特性区域。正向区又分为两段： 当uD Uth时，开始出现正向电流， 并按指数规律增长。当iD较大时，特 性曲线接近直线，电流迅速增加但 正向压降变化很小，此时的UD(on)称 为正向导通压降。 开启 电压 硅二极管的导通压降UD(on)=0.7 V左右 锗二极管的导通压降UD(on)=0.3 V左右 30 当uD0时，即处于反向特性区域 当UBRuD0时，反向电流很小，且 基本不随反向电压的变化而变化，此 时的反向电流也称反向饱和电流IS 。 这一区域称为反向截止区。 锗二极管2AP15 的伏安特性
