第1章半导体二极管及基本应用

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1、1.1 半导体的特性（了解） 1.2 半导体二极管（掌握） 1.3 半导体二极管的基本应用举例（理解 ） 1.4 特殊二极管（了解） 1.5 二极管的分类及其选择（了解）第1章 半导体二极管及基本应用半导体器件是组成各种电子电路包 括模拟电路和数字电路，分立元件电路和集成电 路的基础。本章讨论半导体的特性，PN结的单向导 电性，二极管的结构，工作原理，特性曲线和主 要参数 物质可分为：导 体：=109.cm 如：橡胶，塑料半导体其导电能力介于上面两者之间，常见的 半导体就是4价元素的物质， 4价元素-原子最外层 的轨道上均有4个价电子。半导体又分为：元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）等；化合物

2、半导体：砷化镓（GaAs）等。1.1 半导体的特性什么是半导体？原子结构和共价键结构的简化模型硅或锗的 简化原子结构模型硅和锗的共价键结构 通常把非常纯净 的、几乎不含杂质 的且 结构完整的半导体晶体称为本征半导导体。在T=0K（相当于-273oC）时，半导体不 导电 ，如同绝缘 体一样。温度越高，导电 性 能越好。温度越高，半导体材料中产生的自由电 子越多。被束缚电 子脱离共价键成为自由电电 子后，在原来的位置留有一个空位，称此空 位为空穴。1.1.1 本征半导体元素半导体又有本征半导体和杂质半导体之分！本征半导体中，自由电子和空穴成对出 现，数目相同。本征激发所产生的电子空穴对 如下图所示

3、。本征激本征激发产发产发产发产 生生电电电电子空穴子空穴对对对对如下图所示，空穴（如图中位置1）出现 以后，邻近的束缚电子（如图中位置2）可能获取 足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的 位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子（如图 中位置3）又会填补这个新的空位，这样就形成束 缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动 ，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。此现 象又称为本征激发现象。束缚电 子填补空穴的运动本征激发现象如下图和视频所示：本征激发所产生的电子和空穴都是很有限的（很少）。结 论：（1）半导体中存在两种带电粒子，一种是带负 电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以

4、运 载电荷形成电流，它们又被称为载流子。 （2）本征半导体中，自由电子和空穴成对产生 ，数目相同而，所以半导体是呈电中性的。（3）一定温度下，本征半导体中电子-空穴对的 产生与复合相对平衡，电子-空穴对的数目相对稳定。（4）温度升高，激发的电子-空穴对数目增加， 半导体的导电能力增强。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个 主要特征。在本征半导体中掺入少量的杂质就形成 杂质半导体，杂质半导体的导电性能发生显著的 改变。根据掺入杂质的化合价的不同，杂质半 导体分为: N型（电电子型）半导体和P型（空穴型 ）半导体两大类。1N型半导体：在4价硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂 质元素，如磷，锑，砷等

5、。1.1.2 杂质半导体五价的元素具有五个价电子，它们进入 由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原 子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅 （或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电 子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子， 于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由 电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个 不能移动的正离子，半导体仍然呈现电中性， 但与此同时没有相应的空穴产生（忽略本征激 发），如图所示。N型半导体的共价键结构 N N型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴 为少数载流子（少子）。为少数载流子（少子）。N N型半导体主要靠

6、自由电子导电型半导体主要靠自由电子导电 。此图是忽略本征激发现象的 但实际是存在的。2P型半导体在4 价硅或锗的晶体中掺入少量 的3 价杂质元素， 如硼，锡，铟等。三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅 （或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子 ，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果 获取足够的能量，有可能填补这个空位，硅（或锗 ）原子组成的共价键因失去一个电子而形成一个新 的空穴，呈现出带正电的空穴运动。同时，使得到 电子的原子成为一个不能移动的负离子，但因有对 应的空穴半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有 相应的自由电子产生，如下图所示。（a） （b） P型半导体 （a）结构示意

7、图 （b）离子和载流子（不计本征激发）P P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子 为少数载流子（少子）。为少数载流子（少子）。P P型半导体主要靠空穴导电。型半导体主要靠空穴导电。此图是忽略本征激发现象的 但实际是存在的。因自由电子和空穴是成对出现的， 所以 N半导体、P半导体呈电中性。半导体的特性：1、热敏性 2、掺杂性 3、光敏性1.2.1 PN结及其单向导电性单纯的P型或N型半导体，仅仅是导电能 力增强了，因此它还不是电子线路中所需要的半 导体器件。若在一块本征半导体上，两边掺入不 同的杂质，使一边成为P型半导体，另一边成为N 型半

8、导体，则在两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层PN结。PN结是构成各 种半导体器件的基础。1.2 半导体二极管什么是PN结？1.PN结的形成扩扩散运动动-多数载载流子因浓浓度上的差异而形成的运动动，如下图图所示。P型和N型半导体交界处载流子的扩散 由于空穴和自由电子均是带电的粒子， 所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异 性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区， 这就是所谓的PN结，如下图所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了， 或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽 层。PN结的形成 又称为耗尽区空间电 荷区出现后，因为

9、正负电 荷的 作用，将产生一个从N区指向P区的内电场 。 内电场 的方向，会对多数载流子的扩散运动 起阻碍作用。同时，内电场则 可推动少数载 流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空 间电 荷区，进入对方。少数载流子在内电场 作用下有规则 的运动称为漂移运动。漂移运 动和扩散运动的方向相反。无外加电场时 ， 通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中 无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳 定状态。思考：扩散运动与漂移运动的区别？内电场对它们的影响？PN结的形成如视频所示。2. PN结的单向导电 性如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN 结会呈现出不同的导电性能。（1）PN结外加正向电压P

10、N结外加正向电压-PN结的P端接高电位 ，N端接低电位，又称PN结正向偏置，简称为正偏， 如下图所示。 PN结外加正向电压 （2）PN结外加反向电压PN结外加反向电压-PN结P端接低电位，N端接高电位，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如下图所示。 PN结外加反向电压 PN结正偏时产生较大的正向电流PN结处 于导通状态。 PN结反偏时产生较小的反向电流，PN结 处于截止状态。故PN结具有单向导电性，如视频所示。 1.2.2 半导体二极管及其基本特性半导体二极管具有一个PN结， 因此同PN结一样具有单向导电 性。二极管按半导体材料的不同可 以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极 管等。按接触面的大小

11、又分为点接触型、 面接触型和平面型二极管三类，如下图所 示。不同不同结结结结构的各构的各类类类类二极管二极管二极管的符号下图所示为二极管的符号。由P端引 出的电极是阳极，由N端引出的电极是阴极 ，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二 极管的文字符号。 常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管还分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异，下图所示为几种常见的二极管外形。常见的二极管外形常见的二极管外形 1.2.3 二极管的伏安特性及主要参数1.二极管的伏安特性二极管两端的电压U及其流过二极管的 电流I之间的关系曲线，

12、称为二极管的伏安特性 。二极管外加正向电压时 ，电流和电压 的关系称为二极管的正向特性。如下图所示， 当二极管所加正向电压 比较小时（0 Cd ，Cj主要由势垒电容决定。 频率越高，电容效应越显著。 2 变容二极管PN结越宽，结电容越小。（CS/4kd）2）变容二极管利用二极管的电容效应，可将二极管做成一种特殊二 极管变容二极管，其电路符号如下图所示。主要用作可变电容（受电压控制）。 必须工作在反偏状态。 常用于高频电路中的调谐电路。发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED 。普通发光二极管的符号与基本应用电路如图所示 。显然，发光二极管应工作在正偏状态态，且当正向 电流达到一定值时，能把

13、电能直接转换为 光能，发 出光来。目前发光二极管的颜色有红、黄、橙、绿 、白和蓝6种。（a） （b）发光二极管的符号与发光特性的测量电路 （a）符号 （b）发光特性的测量电路3 发光二极管发光二极管工作时导通电压比普通二极 管大，其工作电压随材料的不同而不同，一般为 1.7V2.4V。普通绿、黄、红、橙色发光二极管 工作电压约为2V；白色发光二极管的工作电压通 常高于2.4V；蓝色发光二极管的工作电压一般高 于3.3V。发光二极管的工作电流一般在2mA 25mA的范围。发光二极管应用非常广泛，常用手机背 光灯、液晶显示器背光灯、照明、各种电子设备 如仪器仪表、计算机、电视 机等的电源指示灯 和

14、信号指示等，还可以做成七段数码显 示器等领 域。发光二极管的另一个重要用途是将电信号转 为光信号。光电二极管又称为光敏二极管，它是一 种光接受器件，其PN结工作在反偏状态，可以 将光能转换为电能，实现光电转换。下图所示为光电二极管的基本电路和符 号。 4.光电二极管光光电电电电二极管的基本二极管的基本电电电电路和符号路和符号激光二极管是在发光二极管的PN结间 安置一层具有光活性的半导体，工作时接正向 电压，可发射出激光。激光二极管的应用非常广泛，在计算 机的光盘驱动器，激光打印机中的打印头，激 光唱机，激光影碟机中都有激光二极管。5.激光二极管1.5 二极管的分类及其选择1二极管的分类按材料的

15、可分为锗管和硅管；按功能可分为开关管、整流管、稳压管、变容管、发光管 和光电（敏）管等，普通二极管、特殊二极管；按工作电流可分为小电流管和大电流管；按耐压高低可分为低压管和高压管；按工作频率高低可分为低频管和高频管等。2二极管的选择（1）要求导通电压低时选锗管；要求反向电流小 时选硅管；要求击穿电压高时选硅管；要求工作频率 高时选点接触型高频管；要求工作环境温度高时选硅 管。（2） 在修理电子设备时，如果发现二极管损坏 ，则用同型号的管子来替换。如果找不到同型号的管 子则可改用其他型号二极管来代替，替代管子的极限 参数IF 、UBR和 IS应不低于原管，且替代管子的材料类 型（硅管或锗管）一般应和原管相同。