半导体二极管及其应用

1. 半导体二极管及其应用

2. §1 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。

3. Ge Si § 1.1.1本征半导体 一、本征半导体的结构特点 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。 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。

4. 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。

5. +4 +4 +4 +4 硅和锗的共价键结构 共价键共 用电子对 +4表示除去价电子后的原子

6. +4 +4 +4 +4 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。 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。

7. 二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴 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，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。 这一现象称为本征激发，也称热激发。

8. 本征激发和复合的过程 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。

9. +4 +4 +4 +4 2.本征半导体的导电机理 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。 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。

10. 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。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 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能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。

11. §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。 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）。 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）。

12. 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。

13. +4 +4 +5 +4 多余 电子 N 型半导体中的载流子是什么？ 磷原子 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）。

14. 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取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的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 二、P 型半导体 空穴 硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。

15. P 型半导体 N 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 三、杂质半导体的示意表示法 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。

16. §1.1.3 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形成了PN 结。

17. 漂移运动 内电场E + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 空间电荷区， 也称耗尽层。 扩散运动 内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。 N型半导体 P型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。

18. 漂移运动 N型半导体 P型半导体 内电场E + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 扩散运动 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。

19. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 电位V V0 空间电荷区 P型区 N型区

20. 注意: 1、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很小。

21. 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。

22. 内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。 变薄 内电场 外电场 + + + + － － － － R E 1、PN 结正向偏置 _ + N P

23. 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。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。 变厚 内电场 外电场 + + + + － － － － 2、PN 结反向偏置 _ + P N R E

24. PN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结具有单向导电性。

25. PN结的伏安特性 3 PN结方程 其中 IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量 且在常温下（T=300K）

26. 雪崩击穿——高反压，碰撞电离 齐纳击穿——较低反压，场致激发 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。 电击穿——可逆 热击穿——不可逆

27. 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。

28. 1 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，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下。

29. 2 扩散电容CD 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。 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。

30. 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；反偏时势垒电容为主。

31. 触丝线 PN结 外壳线 基片 引线 P N 二极管的电路符号 §2 半导体二极管 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 点接触型 面接触型 低频，大电流 高频，小电流

32. 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：

33. 半导体二极管图片

35. I U §2.1 伏安特性 导通压降: 硅管0.6~0.8V,锗管0.1~0.3V。 死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。 反向击穿电压UBR

36. 1. 理想模型 2. 恒压降模型 3. 折线模型 §2.2 二极管的等效电路

37. 即 根据 则 4. 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。 得Q点处的微变电导 Q ?? 常温下（T=300K）

38. 叠加 ！！

39. §2.3 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。

40. 3. 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。

41. iD Q ID iD uD UD 4. 微变电阻 rD rD 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： uD 显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。

42. ui t ui uo RL uo t 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 二极管的应用举例 二极管半波整流

43. I + 动态电阻： rz越小，稳压性能越好 IZ UZ IZmax §2.4 稳压二极管 曲线越陡，电压越稳定。 - UZ 稳压误差 U IZ

44. （2）电压温度系数U（%/℃） 稳压值受温度变化影响的的系数。 稳压二极管的参数: （1）稳定电压UZ （3）动态电阻 （4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功耗

45. i iL R uo ui RL iZ DZ 稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数: 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。 负载电阻 。 求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。 ——方程1

46. i iL R uo ui RL iZ DZ 令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。 ——方程2 联立方程1、2，可解得：

47. 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。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。

48. I U 照度增加 光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升。

49. 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。