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1、第一章 半导体二极管及其电路分析,1.1 半导体基础知识 1.2 PN结 1.3 半导体二极管 1.4 二极管应用电路,1.1 半导体基础知识 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此，在外电场作用下, 这些电子产生定向运动（称为漂移运动）形成电流，呈现出较好的导电特性。高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶、塑料）最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。,半导体材料最外层
2、电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚，成为自由电子；也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，因此，半导体的导电特性介于二者之间。半导体可分为本征半导体和杂质半导体。1.1.1 本征半导体 纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗，它们都是四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。,为便于讨论，本征半导体的简化原子结构模型如图1-1 所 示。假设把硅或锗材料拉制成单晶体时，相邻两个原子的一 对最外层电子（价电子）成为共有电子，它们一方面围绕自 身的原子核运动，另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。 即价电子不仅受到自身原子核的作用，同时还受到相邻原子 核的吸引。 两个相
3、邻的原子共有一对价电子，组成共价键结构。故晶 体中，每个原子都和周围的个原子用共价键的形式互相紧 密地联系起来，如图1-2所示。,图 1-1 本征半导体 简化原子结构模型,图 1-2 本征半导体共价键晶体结构示意图,共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量，其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子，同时必然在共价键中留下空位，称为空穴。空穴带正电，如图 1-3所示。,图 1-3 本征半导体中的自由电子和空穴,由此可见, 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。价电子在热运动中获得能量产生了电子-
4、空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的，载流子的浓度是一定的。本征半导体中载流子的浓度，除了与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度有关, 而且随着温度的升高, 基本上按指数规律增加。因此，半导体载流子浓度对温度十分敏感。此外，半导体载流子浓度还与光照有关，人们正是利用此特性，制成光敏器件。,1.1.2 杂质半导体 1. 型半导体在本征半导体中, 掺入微量价元素（如磷、锑）, 则原来晶格中的某些硅（锗）原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有个价电子, 因此它与周围个硅（锗）原
5、子组成共价键时, 还多余 1 个价电子。 它不受共价键的束缚， 而只受自身原子核的束缚，因此它只要得到较少的能量就能成为自由电子，并留下带正电的、不能参与导电的杂质离子，如图1-4所示。显然, 这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴浓度，从而主要靠电子导电，所以称为型半导体。由于价杂质原子可提供自由电子，故称为施主杂质。型半导体中，自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。,图 1-4 N型半导体共价键结构,2. P型半导体在本征半导体中 掺入微量价元素， 如硼、镓、铟等, 则原来晶格中的某些硅（锗）原子被杂质原子代替。如图1-5所示。,图 1-5 P型半导体的共价键结构,1.2 结,1.2.
6、1 异型半导体接触现象,图 1-6 PN结的形成,1.2.2 结的单向导电特性,1. 结外加正向电压若将电源的正极接区, 负极接区, 则称此为正向接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相反，削弱了自建场, 使阻挡层变窄，如图1-7（a）所示。 显然，扩散作用大于漂移作用，在电源作用下，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，其方向由电源正极通过区、区到达电源负极。,此时，结处于导通状态，它所呈现出的电阻为正向电阻，其阻值很小。正向电压愈大，正向电流愈大。其关系是指数关系：,式中，为流过结的电流；U为结两端电压；称为温度电压当量，其中k为玻耳兹曼常数， 为绝对温度，q为电子的
7、电量，在室温下即时，；为反向饱和电流。电路中的电阻是为了限制正向电流的大小而接入的限流电阻。,图 1-7 PN结单向导电特性,2. 结外加反向电压若将电源的正极接区，负极接区, 则称此为反向接法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同，增强了自建场, 使阻挡层变宽，如图1-7（b）所示。 此时，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场作用下作漂移运动，由于其电流方向与正向电压时相反，故称为反向电流。 由于反向电流是由少数载流子所形成的，故反向电流很小，而且当外加反向电压超过零点几伏时，少数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流，此时反向电压再增加, 载流子数也不会增加，因此反向
8、电流也不会增加, 故称为反向饱和电流，即 。,此时, 结处于截止状态, 呈现的电阻称为反向电阻, 其阻值很大, 高达几百千欧以上。 综上所述：结加正向电压, 处于导通状态；加反向电压, 处于截止状态, 即结具有单向导电特性。 将上述电流与电压的关系写成如下通式：此方程称为伏安特性方程, 如图1-8所示, 该曲线称为伏安特性曲线。,图 1 - 8 PN结伏安特性,1.2.3 结的击穿PN结处于反向偏置时, 在一定电压范围内, 流过结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值()后, 反向电流急剧增加, 这种现象称为反向击穿, 如图1-8所示。称为击穿电压。 结的击穿分为雪崩击穿和齐纳
9、击穿。,当反向电压足够高时，阻挡层内电场很强，少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用，获得很大的能量，在运动中与其它原子发生碰撞时，有可能将价电子打出共价键, 形成新的电子、 空穴对。这些新的载流子与原先的载流子一道，在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴对，如此链锁反应，使反向电流迅速增大。这种击穿称为雪崩击穿。 齐纳击穿是指当结两边掺入高浓度的杂质时，其阻挡层宽度很小，即使外加反向电压不太高(一般为几伏)，在结内就可形成很强的电场(可达2106 V/cm)，将共价键的价电子直接拉出来，产生电子-空穴对，使反向电流急剧增加, 出现击穿现象。,对硅材料的结，击穿电压大于V时通常是雪崩击
10、穿，小于V时通常是齐纳击穿；在V和V之间时两种击穿均有。由于击穿破坏了结的单向导电特性，因而一般使用时应避免出现击穿现象。 发生击穿并不一定意味着结被损坏。当PN结反向击穿时，只要注意控制反向电流的数值（一般通过串接电阻实现），不使其过大, 以免因过热而烧坏结，当反向电压（绝对值）降低时，结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了结的反向击穿特性来实现稳压的，当流过结的电流变化时，结电压保持基本不变。,1.2.4 结的电容效应,电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容效应。而结两端加上电压，结内就有电荷的变化，说明结具有电容效应。结具有两种电容： 势垒电容和扩散电容。 势垒电容是由阻挡层内空
11、间电荷引起的，即阻挡层中的电荷量随外加反向电压的变化而改变，形成了电容效应，称为势垒电容。扩散电容是结在外加正向电压时，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。一般而言，结正偏时，扩散电容起主要作用；当结反偏时， 势垒电容起主要作用。,1.3 半导体二极管半导体二极管是由结加上引线和管壳构成的。 二极管的类型很多, 按制造二极管的材料分为硅二极管和锗二极管。 从管子的结构来分, 有以下几种类型：,点接触型二极管。 面接触型二极管。 硅平面型二极管。,图 1-9 半导体二极管的结构和符号,1.3.1 二极管伏安特性,(1) 正向特性：正向电压低于某一数值时, 正向电流很小, 只有当正向电压高
12、于某一值后, 才有明显的正向电流。该电压称为导通电压, 又称为门限电压或死区电压, 用表示。在室温下, 硅管的约为. V, 锗管的约为. V。通常认为, 当正向电压on时, 二极管截止；时, 二极管导通。(2) 反向特性：二极管加反向电压, 反向电流数值很小, 且基本不变, 称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安()数量级, 锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时, 反向电流急剧增加, 产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。,(3) 二极管的温度特性：二极管的特性对温度很敏感, 温度升高, 正向特性曲线向左移, 反向特性曲线向下移。 其规律是：在室温附近,
13、 在同一电流下, 温度每升高, 正向压降减小.V；温度每升高, 反向电流约增大 1 倍。,1.3.2 二极管的主要参数 (1) 最大整流电流。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于, 如超过, 二极管将过热而烧毁。此值取决于结的面积、材料和散热情况。(2) 最大反向工作电压。这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时, 二极管可能被击穿。为了留有余地, 通常取击穿电压的一半作为。,(3) 反向电流。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小, 二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成, 所以值受温度的影响很大。(4) 最高工作频率。的值主要取决于结结
14、电容的大小, 结电容越大, 则二极管允许的最高工作频率越低。,1.3.3 二极管基本应用电路分析1. 单相半波整流电路, 电路工作原理,在负半周时, 二极管截止, 则,图1-10 单相半波整流电路, 直流电压UO和直流电流IO的计算,在半波整流情况下,此式说明, 在半波整流情况下, 负载上所得的直流电压只有变压器次级绕组电压有效值的45%。如果考虑二极管的正向电阻和变压器等效电阻上的压降, 则UO数值还要低。 在半波整流电路中, 二极管的电流等于输出电流, 所以,2. 单相全波整流电路, 电路与工作原理,为提高电源的利用率, 可将两个半波整流电路合起来组成一个全波整流电路, 如图1-10(a)
15、所示。二极管VD1、VD2在正、负半周轮流导电, 且流过负载RL的电流为同一方向, 故在正、负半周, 负载上均有输出电压。,图 1-10 全波整流电路, 直流电压UO和直流电流IO的计算,由输出波形可看出, 全波整流输出波形是半波整流时的两倍, 所以输出直流电压也为半波时的两倍, 即, 选管原则,选择管子时要求,全波整流电路每管承受的反向峰值电压URM为u2的峰值电压的两倍,即,因为无论正半周还是负半周, 均是一管截止, 而另一管导通, 故变压器次级两个绕组的电压全部加至截止二极管的两端。 选管时应满足,3. 限幅电路当输入信号电压在一定范围内变化时, 输出电压随输入电压相应变化； 而当输入电压超出该范围时, 输出电压保持不变, 这就是限幅电路。通常将输出电压uo开始不变的电压值称为限幅电平, 当输入电压高于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅称为上限幅；当输入电压低于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅称为下限幅。限幅电路如图-所示。改变值就可改变限幅电平。,图 1 11 并联二极管上限幅电路,V, 限幅电平为V。u时二极管导通, uoV； uiV, 二极管截止, uou。波形如图1-12(a)所示。 如果Um, 则限幅电平为。u, 二极管截止, uou；u, 二极管导通, uo。波形图如图1-12()所示。 如果m, 则限幅电平为-E, 波形图如图1-12()所示。,
