第二章半导体二极管及其应用电路

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1、1第二章 半导体二极管及其基本应用电路 *22.1 2.1 半导体基本知识半导体基本知识 2.2 2.2 半导体二极管半导体二极管 2.3 2.3 整流电路整流电路 2.4 2.4 滤波电路滤波电路 2.5 2.5 倍压整流电路倍压整流电路 2.6 2.6 应用电路介绍应用电路介绍*3半导体(semiconductor)器件是在20世纪50年代初发展起来 的器件，由于具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小 、功率转换效率高等优点，已广泛应用于家电、汽车、计算机 及工控技术等众多领域，被人们视为现代技术的基础。这一章的任务就是让学习者在了解半导体的特殊性能、PN 结(PN junction)

2、的形成及其单向导电性的基础上，进一步认识 半导体二极管、半导体三极管这些半导体器件。 通过对这些半导体器件的结构、工作原理、特性曲线及特性 参数等方面的剖析，掌握二极管、三极管等半导体器件的结构特 点和工作原理；在技术能力上掌握正确测试半导体器件的好坏及 极性的判别方法，并能看懂由这些半导体器件作为核心元件构成 的简单电子线路图，初步掌握一些EWB电路仿真技能。 *42.12.1 半导体基本知识半导体基本知识半导体的导电性能力虽然介于导体和绝缘体之间，但是却 能够引起人们的极大兴趣，这与半导体材料本身存在的一些独 特性能是分不开的。 半导体的导电能力受各种因素影响：半导体的导电能力受各种因素影

3、响： 1. 1.热敏特性热敏特性 温度升高，大多数半导体的电阻率下降。 由于半导体的电阻率对温度特别灵敏，利用这种特性就可以做 成各种热敏元件。 2. 2.光敏特性光敏特性 许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。 利用这种特性可制成各种光电元件。 3. 3.掺杂特性掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后 ，它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性 就可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极 管晶闸管、场效应管等。*52.1.1 2.1.1 本征半导体本征半导体在半导体物质中，目前用得最多的材料是 硅和锗。在硅和锗的原子结构中，最外层电子 的数目都是4个，因此被成为

4、四价元素，如图2- 1所示。 天然的硅和锗材料是不能制成 半导体器件的，必须经过高度提纯 工艺将它们提炼成纯净的单晶体。 单晶体的晶格结构是完全对称，原 子排列得非常整齐，故常称为晶体 ，就是我们所说的本征半导体其平 面示意图如图2-2所示。 共价键共价键 图图2-12-1 图图2-22-2 *6当温度上升或受光照时，共价键中的一些价电子以热运动的 形式不断从外界获得一定的能量，少数价电子因获得的能量较大 ，而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原来的共价键的 相应位置上留下一个空位，叫空穴。如图2-3所示。如图所示的A处为空穴， B处为自由电子，显然，自由 电子和空穴是成对出现的， 所以称

5、它们为电子空穴对 。把在光或热的作用下，本 征半导体中产生电子空穴 对的现象，叫本征激发。在本征半导体中存在在本征半导体中存在 两种载流子：两种载流子：带负电的自带负电的自 由电子和带正电的空穴。由电子和带正电的空穴。 图图2-32-3 *72.1.2 2.1.2 杂质半导体杂质半导体1. N1. N型半导体型半导体 在四价元素晶体中掺入微量的五价元素，由于这种杂质原子 能放出电子，因此称为“施主杂质”。显然掺入的杂质越多，杂 质半导体的导电性能越好，这种掺杂所产生的自由电子浓度远大 于本征激发所产生的电子空穴对的浓度，所以杂质半导体的导 电性能远超过本征半导体。 在四价晶体中掺入微量的三价元

6、素，三价原子在与四价原 子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空穴。由于这种 杂质原子能吸收电子，因此称为“受主杂质”。在这种杂质半 导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电 子为少子。因为这种半导体的导电主要依靠空穴，而空穴带正 电荷，所以称其为P型半导体（P-type semiconductor）或空穴型 半导体。 2. P2. P型半导体型半导体*8需要指出的是：不论是N型还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数， 但多出的载流子数目与杂质离子所带的电荷数目始终相平衡，即 整块杂质半导体既没有失去电子，也没有得到电子，整个晶体仍 然呈中性。 为突出杂质半导体的主要特征，在

7、画P型或N型半导体时 ，常常只画多子和离子成对出现，如图2-4所示。 一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少 数载流子数量的1000倍或更多，因此，杂质半导体的导电能力 比本征半导体的导电能力将强上几十万倍。图图2-42-4*92.1.32.1.3 PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性在电子技术中，在电子技术中，PNPN结是一切半导体器件的结是一切半导体器件的“ “元概念元概念” ”和技术起始点。和技术起始点。 1. PN1. PN结的形成结的形成 半导体中有电子和空穴这两种载流子，当这些载流子作定向 运动时就形成电流。半导体中的载流子运动有漂移运动和扩散运 动两种方式，相应地

8、也就有漂移电流和扩散电流这两种电流。 在在PNPN结形成的过程中，多子的扩散和少子的漂移既相互联系结形成的过程中，多子的扩散和少子的漂移既相互联系 、又相互矛盾。初始阶段，扩散运动占优势，随后扩散运动的减、又相互矛盾。初始阶段，扩散运动占优势，随后扩散运动的减 弱显然伴随着漂移运动的不断加强。最后，当扩散运动和漂移运弱显然伴随着漂移运动的不断加强。最后，当扩散运动和漂移运 动达到动态平衡时，将形成一个稳定的空间电荷区，这个相对稳动达到动态平衡时，将形成一个稳定的空间电荷区，这个相对稳 定的空间电荷区就叫做定的空间电荷区就叫做PNPN结。结。 *10若在PN结两端接上外加电源，也就是PN结被偏置

9、了。由于偏 置电压的作用，动态平衡遭到破坏。PN结将显示出其单向导电的 性能，PN结的单向导电性，是构成半导体器件的主要工作机理。 2. PN2. PN结的正向导通结的正向导通 正向偏置的意思是：正向偏置的意思是： P P区加正、区加正、 N N区加负电压。区加负电压。此时，外部电场的方 向是从P区指向N区，显然与内电场的 方向相反，结果使空间电荷区变窄， 内电场被削弱。内电场的削弱使多数 载流子的扩散运动得以增强，形成较 大的扩散电流（有多子的定向移动形 成，即所谓常称的电流）。在一定范 围内，外电场越强，正向电流越大， PN结对正向电流呈低电阻状态，这种 情况就称为PN结正向导通。PN结的

10、 正向导通作用原理图如图2-6所示。 图图2-62-6 *113. PN3. PN结的反向截止结的反向截止 反向偏置的意思是：反向偏置的意思是： P P区加负、区加负、N N 区加正电压。区加正电压。此时，外部电场的方向与此时，外部电场的方向与 内电场的方向一致，使空间电荷区变宽内电场的方向一致，使空间电荷区变宽 ，内电场继续增强，造成多数载流子扩，内电场继续增强，造成多数载流子扩 散运动难于进行，同时加强了少数载流散运动难于进行，同时加强了少数载流 子的漂移运动，形成由子的漂移运动，形成由N N区流向区流向P P区的区的 反向电流。反向电流。但由于常温下少数载流子恒但由于常温下少数载流子恒

11、定且数量不多，故反向电流极小，定且数量不多，故反向电流极小，而电而电 流小说明流小说明PNPN结的反向电阻很高，通常结的反向电阻很高，通常 可以认为反向偏置的可以认为反向偏置的PNPN结不导电，基结不导电，基 本处于截止状态，这种情况就称为本处于截止状态，这种情况就称为PNPN 结反向阻断。结反向阻断。PNPN结的反向阻断作用原结的反向阻断作用原 理图如图理图如图2-72-7所示。所示。 当外加的反向电压在一定当外加的反向电压在一定 范围内变化时，反向电流几乎范围内变化时，反向电流几乎 不随外加电压的变化而变化。不随外加电压的变化而变化。 这是因为反向电流是由少子漂这是因为反向电流是由少子漂

12、移形成的。只要温度不发生变移形成的。只要温度不发生变 化，少数载流子的浓度就不变化，少数载流子的浓度就不变 ，即使反向电压在允许的范围，即使反向电压在允许的范围 内再增加再多，也无法使少子内再增加再多，也无法使少子 的数量增加，这时反向电流趋的数量增加，这时反向电流趋 于恒定，因此反向电流又称为于恒定，因此反向电流又称为 反向饱和电流反向饱和电流。 PN PN结的上述结的上述“ “正向导通，反正向导通，反 响阻断响阻断” ”作用，说明作用，说明PNPN结具有单结具有单 向导电性。向导电性。 图图2-72-7 *122.1.4 2.1.4 PNPN结的反向击穿结的反向击穿PN PN结处于反向偏置

13、时，在一定的电压范围内，流过结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PNPN结结 的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这 种现象称为种现象称为PNPN结结反向击穿反向击穿。 反向击穿又分为热击穿和电击穿。反向击穿又分为热击穿和电击穿。 热击穿由于电压很高、电流很大，消耗在热击穿由于电压很高、电流很大，消耗在PNPN结上的功率相结上的功率相 应很大，极易使应很大，极易使PNPN结过热而烧毁，即热击穿过程不可逆。结过热而烧毁，即热击穿过程不可逆。 电击穿包括电击穿包括雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿，对于硅材料的，对于硅材

14、料的PNPN结来说，结来说， 击穿电压大于击穿电压大于7V7V时为雪崩击穿，小于时为雪崩击穿，小于4V4V时为齐纳击穿。在时为齐纳击穿。在4V4V余余 7V7V之间，两种击穿都有。之间，两种击穿都有。 雪崩击穿是一种碰撞的击穿，齐纳击穿是一种场效应击穿，雪崩击穿是一种碰撞的击穿，齐纳击穿是一种场效应击穿， 两者均属于电击穿。两者均属于电击穿。 电击穿过程通常是可逆过程，当加在电击穿过程通常是可逆过程，当加在PNPN结两端的反向电压结两端的反向电压 降低后，降低后，PNPN结仍可恢复到原来的状态，而不会造成永久损坏。结仍可恢复到原来的状态，而不会造成永久损坏。 *132.22.2 半导体二极管半

15、导体二极管 2.2.1 2.2.1 二极管的结构与类型二极管的结构与类型 将结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极将结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极 管。按结构分，二极管有点接触型和面接触型、管。按结构分，二极管有点接触型和面接触型、平面型等平面型等 。 1. 1. 点接触型二极管点接触型二极管 特点是结面积小，不能通过较大电流，但高频性能好。特点是结面积小，不能通过较大电流，但高频性能好。 2. 2. 面接触型二极管面接触型二极管 结面积较大，故可允许通过较大电流，但其工作频率低。结面积较大，故可允许通过较大电流，但其工作频率低。 3. 3. 平面型二极管平面型二极管 平面

16、型二极管的质量最好。平面型二极管结面积较小的适合平面型二极管的质量最好。平面型二极管结面积较小的适合 作高频管或高速开关，结面积较大的则作大功率调整管。作高频管或高速开关，结面积较大的则作大功率调整管。 *142.2.2 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管最主要的特性就是单向导电性，可以用伏安特性曲二极管最主要的特性就是单向导电性，可以用伏安特性曲 线来说明。所谓伏安特性曲线就是电压与电流的关系曲线，如线来说明。所谓伏安特性曲线就是电压与电流的关系曲线，如 图图2-92-9所示。所示。图图2-92-9 *151. 1. 正向特性（正向特性（forward characteristicsforward characteristics）当二极管的正向电压很小时，几乎没有电流通过二极管。正当二极管的正向电压很小时，几乎没有电流通过二极管。正 向电压超过某数值后，才有正向电流流过二极管，这一电压值称向电压超过某数值