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1、半导体二极管及其应用11 半导体的基本知识 1.1 PN结导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为 半导体，半导体器件中用的最多的是硅和锗 。 半导体的特点： 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。2 1.1.1 本征半导体 一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。3本征半导体化学成分纯净的半 导体。制造半导体器件的半导体材料的纯 度要达到99.9999999%，常称为“九个 9”。它在物理结构上呈单晶体形态。4硅和锗
2、的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除 去价电子 后的原子5共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是 八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。+4+4+4+46二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可 以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力 为 0，相当于绝缘体。在常温下，使一些价电子获得足够的能量 而脱离共价键的束缚，
3、成为自由电子，同时共价 键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴这一现象称为本征激发，也称热激发。7可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自 由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图 所示。 本征激发和复合在一定温度下会达到 动态平衡。本征激发和复合的过程82.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。9温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导
4、体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1. 自由电子移动产生的电流。2. 空穴移动产生的电流。10 1.1.2 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体 ，也称为（电子半导体）。11一、N 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取
5、代，磷原子的最外层有五个价电子， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚 ，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原 子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷 原子给出一个电子，称为施主原子。12+4+4+5+4多余 电子磷原子N 型半导体中 的载流子是什 么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。 13二、P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中
6、的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时 ，产生一个空穴。这个空 穴可能吸引束缚电子来填 补，使得硼原子成为不能 移动的带负电的离子。由 于硼原子接受电子，所以 称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。14三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体+N 型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但 由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近 似认为多子与杂质浓度相等。151.1.3 PN结一、 PN 结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就
7、形成了PN 结。16P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。空间电荷区， 也称耗尽层。17漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没 有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。18+空间 电荷 区N型区P型区电位V V0191、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少） ，数量有限，因此由它们形成的电流
8、很小 。注意:20二、 PN结的单向导电性PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区 加正、N 区加负电压。PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区 加负、N 区加正电压。21+RE1、PN 结正向偏置内电场外电场变 薄PN+_内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。222、PN 结反向偏置+内电场 外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反 向电流。RE23PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN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
9、导电性。243 PN结方程其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）25三、 PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反 向电流突然快速增加， 此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆雪崩击穿高反压，碰撞电离齐纳击穿较低反压，场致激发电击穿可逆26四、 PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应（结电容），它由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB ， 二是扩散电容CD 。271 势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的 厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷 量也随之变化，犹
10、如电容的充放电。势垒电容的示 意图如下。28扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。2 扩散电容CD反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如下页所示。29扩散电容示意图当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。都很小。 正偏时扩散电容为主
11、；反偏时势垒电容为主。 302 半导体二极管PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型 PN结面接触型PN二极管的电路符号高频，小电流低频，大电流31半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：32半导体二极管图片33342.1 伏安特性UI死区电压 硅管 0.5V,锗管0.1V。导通压降: 硅 管0.60.8V,锗 管0.10.3V。反向击穿 电压UBR352.2 二极管的等效电路1. 理想模型3. 折线模型 2. 恒压降模型364. 小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。即根据得Q点处的微变电导则常温下
12、（T=300K）Q ?37叠加 ！382.3 主要参数 1. 最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。2. 反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电 流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至 过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电 压UWRM一般是UBR的一半。393. 反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 。反向电流大，说明管子的单向导电性差， 因此反向电流越小越好。反向电流受温度的 影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向 电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十 到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单
13、向导电性，主要应用于整流、限幅 、保护等等。下面介绍两个交流参数。404. 微变电阻 rD iDuDIDUDQiDuDrD 是二极管特性曲线上工 作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小 变化区域内的电阻。41二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例 二极管半波整流422.4 稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压 误差曲线越陡 ，电压越 稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳 压性能越好43（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许
14、功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压 UZ（2）电压温度系数U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻44稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:负载电阻 。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电 流为Izmax 。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。方程145令输入电压降到下限时 ，流过稳压管的电流为 Izmin 。方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：46稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。47光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。I U照度增加48发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范 围的光，目前的发光 管可以发出从红外到 可见波段的光，它的 电特性与一般二极管类似。49
