1、3.2 半导体,模块一、半导体二极管及其应用 1.1半导体二极管的认知,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,1.2认识半导体及其特性,1. 导体：电阻率 10-4 cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。,2. 绝缘体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料等。,3. 半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,半导体导电性能是由其原子结构决定的。,硅原子结构,图 1.1.1 硅原子结构,(a)硅的原子结构图,最外层电子称价电子,锗原子也是 4 价元素,4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示
2、。,(b)简化模型,1.1.1 本征半导体,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 1.1.2 单晶体中的共价键结构,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,图 1.1.3 本征半导体中的自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子
3、- 空穴对。,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。,4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。,常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原
4、子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。,二、 P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图 1.5 P 型半导体的晶体结构,说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电
5、中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,图 1.6 杂质半导体的的简化表示法,半导体的特性： 1、热敏性：热敏电阻、及对温度敏感的传感器,2、光敏性：光敏电阻、光电池等,3、掺杂性：晶体管、集成电路,PN 结及其单向导电性,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,图 1.7 PN 结的形成,PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴
6、浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流,空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；,等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 0.8) V,锗材料约为(0.2 0.3) V。
7、,2、 PN 结的单向导电性,1. PN 外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.8,结论：PN结导通,图 1.8 反相偏置的 PN 结,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。,结论：PN结截止,2. PN 结外加反向电压(反偏),结论：在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,综上所述
8、：当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。可见， PN 结具有单向导电性。,清华大学 华成英 ,4、PN 结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向
9、导电性！,1、为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？,同学们要知道下面几个问题,？,导致半导体性能温度稳定性差的主要原因有二： （1）禁带宽度与温度有关（一般，随着温度的升高而变窄）； （2）少数载流子浓度与温度有关（随着温度的升高而指数式增加）。 注：多数载流子浓度基本上等于掺杂浓度，在室温、全电离情况下，多数载流子浓度与温度也基本上无关；只有在低温下才有较大的关系。因此，半导体性能在低温下的不稳定性还与多数载流子浓度的变化有关。,2 、为什么半导体器件有最高工作频率？,因为半导体的主要组成单元是PN结，PN结的显著特征是单向导电性，因为PN结的反向截止区
10、是由耗尽层变宽导致截止，而这个过程是需要一定的时间的，如果频率太高导致时间周期小于截止时间就可能造成半导体器件不能正常工作，所以半导体器件有最高工作频率的限制。,半导体二极管的类型：,按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型二极管。点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。,按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。,按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。,1.3 半导体二极管,二极管的组成,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频
11、率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,图1.10,一、 二极管的结构,将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。,二极管的结构：,(a)外形图,半导体二极管又称晶体二极管。,(b)符号,图 1.11 二极管的外形和符号,二、二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f (U )之间的关系曲线。,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,图 1.12二极管的伏安特性,1. 正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。
12、,相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右。,正向特性,死区电压,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,2. 反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小；,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；,这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,
13、从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,二极管的等效电路,理想 二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1. 将伏安特性折线化,？,100V？5V？1V？,微变等效电路,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,一、二极管的主要参数,
14、最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应,教材P16,1.4掌握二极管的基本应用电路,1.单相半波整流电路,基本工作原理,u2的正半周，D导通， ADRLB，uO= u2 。,u2的负半周，D截止，承受反向电压，为u2； uO=0。,二、基本应用电路（单向整流电路）,已知变压器副边电压有效值为U2,考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：,（3）二极管的选择,(2)基本参数分析,2 全波整流电路,图 1.17全波整流电路波形图,3、桥式整流电路,u2的正半周AD1RLD3B，uO= u2,u2的负
15、半周B D2RLD4 A，uO= -u2,四只管子如何接？,集成的桥式整流电路称为整流堆。,1. 基本工作原理,若接反了呢？,2. 电路参数的计算及整流二极管的选择,二极管的选择,考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：,与半波整流电路对二极管的要求相同,4、 倍压整流电路,二倍压整流电路,iD1,iD2,图 1.20 二倍压整流电路,(14-43),Ui = 10 sinwt V，二极管为理想元件。 试画出Uo的波形。,Ui 5V：Uo = Ui,解：,首先判断二极管何时导通、截止。,Ui 5V ：Uo = 5V,5V,普通二极管的其他应用与分析,限幅,1、稳压二极管及其应用,
16、稳定电压 UZ：稳压管的击穿电压 稳定电流 IZ：使稳压管工作在稳压状态的最小电流 最大耗散功率 PZM：允许的最大功率， PZM= IZM UZ 动态电阻 rz：工作在稳压状态时，rzU / I,1. 稳压管的伏安特性和主要参数,1.5熟悉几种特殊二极管及其应用,稳压二极管,1. 伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2. 主要参数,稳定电压UZ、稳定电流IZ,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ /IZ,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必
17、需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻,斜率？,稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,稳压管稳压电路的工作原理,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。,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,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：,二、 光电二极管及发光二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,1.光电二极管,光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照，反向电流很小，称
18、为暗电流。当有光照时使反向电流明显增大，于是就产生了光电流。硅光电池（硅光二极管）就是一个大面积的光电二极管。,2、发光二极管LED,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。,LED采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导 电性。 当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于 漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电 子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。,磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发
19、绿光，碳化硅二极管发黄光。,工作电流-1030mA 正向压降1.53V,三、变容二极管,变容二极管是根据普通二极管内部 “PN结” 的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。变容二极管在无绳电话机中主要用在手机或座机的高频调制电路上实现低频信号调制到高频信号上，并发射出去。在工作状态，变容二极管调制电压一般加到负极上，使变容二极管的内部结电容容量随调制电压的变化而变化。反偏电压愈大，则结电容愈小。变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的。,变容二极管的结构及符号,
