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1、 第一章 半导体二极管及其应用 第一章 半导体二极管及其应用1第一章第一章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 半导体二极管的型号与检测半导体二极管的型号与检测 1.4 半导体二极管的应用半导体二极管的应用 1.5 特殊二极管简介特殊二极管简介21.1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识导体：导体：自然界中容易导电的物质称为自然界中容易导电的物质称为导体导体，金属一，金属一般都是导体。般都是导体。绝缘体：绝缘体：不导电的物质，称为不导电的物质，称为绝缘体绝缘体，如橡胶、陶瓷，如橡胶、陶瓷、玻璃、和塑料等
2、。、玻璃、和塑料等。半导体：半导体：另有一类物质的导电性能介于导体和绝缘体另有一类物质的导电性能介于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，常用的半导体材料是，常用的半导体材料是锗和硅。锗和硅。1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3半导体的三个奇妙特性：半导体的三个奇妙特性：光敏特性、热敏特性和掺杂特性光敏特性、热敏特性和掺杂特性 1 1、光敏特性：即半导体的导电能力对光、光敏特性：即半导体的导电能力对光照辐射很敏感。对半导体施加光线照射时，照辐射很敏感。对半导体施加光线照射时，光照越强，等效电阻越小，导电能力越强。光照越强，等效电阻越小，导电能力越强。利用半导体的光敏性，可以制成光
3、敏检测利用半导体的光敏性，可以制成光敏检测元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池等，可用于路灯、航标灯的极管和光电池等，可用于路灯、航标灯的自动控制或制成火灾报警装置、光电控制自动控制或制成火灾报警装置、光电控制开关等。开关等。42、热敏特性：、热敏特性：即半导体的导电能力对温度很敏感。温度升高，将使半导体的导电能力大大增强。例如，纯锗，温度每升高10它的导电能力要增加一倍(电阻率会减少到原来的一半)。利用半导体对温度十分敏感的特性，可以制成自动控制中常用的热敏电阻(是负温度系数)及其它热敏元件。53、掺杂特性 u“杂质”可以显著改变(控制)半导体
4、的导电能力。这里所说的“杂质”是指人为地、有目的的、在纯净的半导体(通常称本征半导体)中掺入的极其微量的三价或五价元素(如硼、磷)。在本征半导体中掺入微量的杂质元素，则它的导电能力将大大增强。例如在纯硅中掺入一亿分之一的硼元素，其导电能力可以增加两万倍以上。利用掺杂半导体可以制造出晶体二极管、晶体三极管、场效应管、晶闸管和集成电路等半导体器件。u 这也说明，任何东西的特性本身无所谓好坏，主要是看人们如何去利用它们。6一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi本征半导体本征半导体是纯净的不含杂质的晶体结构完整的半是纯净的不含杂质的晶体结构完整的半导体，硅和锗，它们的最外层电子（价电
5、子）都是导体，硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。四个。7半导体是晶体结构半导体是晶体结构在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：8硅和锗的共价键结构示意图硅和锗的共价键结构示意图共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子
6、后的原子核和内层核和内层电子电子9共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，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。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。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+410在绝对在绝对0度度（T
7、=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有载载流子流子（即载有电荷并可以参与导电的粒子），相（即载有电荷并可以参与导电的粒子），相当于绝缘体。当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电自由电子子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴11+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子122.本征
8、半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。13温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素
9、，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。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：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。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。14在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会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。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，
10、也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。15一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷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（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，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，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，必定多出一个电子，这个
11、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，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。16+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。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
12、度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。17二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中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，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴能吸引束缚电子来填补，能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼
13、原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。18三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但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由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近。近似认为多子与杂质浓度相等。似认为多子与杂质浓度相等。191.1. 2 PN 结的形成结的形成在同一片半
14、导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处会形成一个特殊的导电薄层，这个特殊交界面处会形成一个特殊的导电薄层，这个特殊的导电薄层称为的导电薄层称为PN 结。结。20P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称
15、耗尽层。也称耗尽层。21漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区衡，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。的厚度固定不变。22PNPN结的两极之间有电容，此电容由两部分组成：结的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒电容：势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样
16、所表现出就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是的电容是势垒电容势垒电容。扩散电容：扩散电容：为了形成正向电流为了形成正向电流（扩散电流），注入（扩散电流），注入P 区的少子区的少子（电子）在（电子）在P 区有浓度差，越靠区有浓度差，越靠近近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P 区有电区有电子的积累。同理，在子的积累。同理，在N区有空穴的区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷积累。正向电流大，积累的电荷多。多。这样所产生的电容就是扩散这样所产生的电容就是扩散电容电容CD。P+-N23PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电势垒电容和扩散电容的
17、综合效应容的综合效应rd24+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0251.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴区中的空穴. .N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3.P 3.P 区中的电子和区中的电子和 N N区中的空穴（都是区中的空穴（都是少子少子，数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意: :26 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 区区电位高于电位高
18、于N 区电位。区电位。 PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P区区电位低于电位低于N 区电位。区电位。27+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。28二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE291.
19、 2 半导体二极管半导体二极管PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型阳极阳极阴极阴极 二极管的电路符号：二极管的电路符号：1.2. 1 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号30二极管的主要特性-单向导电1、二极管的偏置：二极管单向导电的特性，只有外加一定极性的电压（称为偏置）才能表现出来。阳极电位高于阴极电位称为二极管的正向偏置，反之称为反向偏置。2、二极管的主要特性：单向导电，即正向导通，反向截止。或曰：只能一个方向导电，另一个方向不导电，即由阳极向阴极可以
20、顺利的流电流，反方向不流电流。只能一个方向电，31UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR1.2. 3 二极管的伏安特性二极管的伏安特性321. 最大整流电流最大整流电流 IFM在规定的环境温度和散热条件下，二极管长在规定的环境温度和散热条件下，二极管长期使用时，所允许流过二极管的最大正向平期使用时，所允许流过二极管的最大正向平均电流。均电流。2. 最高反向工作电压最高反向工作电压URM通常称耐压值或额定工作电压，是指保证二通常称耐压值或额定工作电压，是指保证二极管截止的条件
21、下，允许加在二极管两端的极管截止的条件下，允许加在二极管两端的最大反向电压。手册上给出的最高反向工作最大反向电压。手册上给出的最高反向工作电压电压URM一般是击穿电压一般是击穿电压UBR的一半。的一半。1.2. 4 二极管的主要参数二极管的主要参数333. 反向电流反向电流 IR指二极管未击穿时的反向电流。反向电流越指二极管未击穿时的反向电流。反向电流越小越好。通常反向电流数值很小，但受温度小越好。通常反向电流数值很小，但受温度影响很大，温度越高反向电流越大，一般温影响很大，温度越高反向电流越大，一般温度每升高度每升高10o,反向电流约增大一倍。硅管的反向电流约增大一倍。硅管的反向电流较小，锗
22、管的反向电流要比硅管大反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。几十到几百倍。4. 最最高工作频率最最高工作频率fM 指保证二极管导向导电作用的最高工作频指保证二极管导向导电作用的最高工作频率。当工作频率超过率。当工作频率超过fM时，二极管将失去导时，二极管将失去导向导电性。向导电性。34所谓理想二极管也就是最好的二极管，即：所谓理想二极管也就是最好的二极管，即：1.正向导通时死区电压和导通压降均为零，正向导通时死区电压和导通压降均为零，正向导通电流为无穷大。相当于理想开关正向导通电流为无穷大。相当于理想开关闭合。闭合。2.反向截至时，反向电流为零，反向击穿电压反向截至时，反向电流为
23、零，反向击穿电压为无穷大。相当于理想开关断开。为无穷大。相当于理想开关断开。1.2. 5 理想二极管理想二极管35RLuiuouiuott1.4 半导体二极管的应用半导体二极管的应用1.4. 1 二极管整流电路二极管整流电路36二极管的用举例二极管的用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo371.5.1 稳压二极管稳压二极管UIIZIZmax UZ IZ曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。+-UZ动态电阻：动态电阻：rz越小，稳越小，稳压性能越好。压性能越好。1.5 特殊二极管简介特殊二极管简介38稳压管的主要特性 稳压管在反向击穿状态下，流过管子的电流在较大范围内变化时，而管子
24、两端电压却基本不变； 或曰：稳压管在反向击穿状态下，管子两端电压只要有微小的变化，就会引起通过稳压管的电流有很大的变化。 这是稳压管的主要特性。 39（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻40负载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常值发当输入电压由正常值发生生 20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。稳压
25、二极管的应用举例稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为流为Izmax 。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的的正常值。正常值。方程方程141令令输入电压降到下限时，输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为流过稳压管的电流为Izmin 。方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：421.5.2 变容二极管变容二极管利用利用PN节的电容效节的电容效应，并采用特殊工应，并采用特殊工艺使节电容随反向艺使节电容随反向电压变化比较灵敏电压变化比较灵敏的一种特殊二极的一种特殊二极管。管。431.5.3 光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加441.5.4 发光二极管发光二极管有正向电流流过有正向电流流过时，发出一定波长范时，发出一定波长范围的光，目前的发光围的光，目前的发光管可以发出从红外到管可以发出从红外到可见波段的光，它的可见波段的光，它的电特性与一般二极管电特性与一般二极管类似。类似。4546
