半导体二极管及其应用附电路仿真分析及其分析结果的输出.docx
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半导体二极管及其应用附电路仿真分析及其分析结果的输出
半导体二极管及其应用
在本征半导体中掺入P型和N型杂质，其交界处就形成了PN结。
PN结具有单向导电性，是构成众多半导体器件的基础。
在PN结的两端引出两个电极，并在外面装上管壳，就成为半导体二极管。
本章首先简要地介绍半导体的基础知识，接着讨论PN结的原理和特性，然后重点讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管的实用简化模型。
最后对普通整流二极管、稳压二极管、光电二极管和发光二极管的特性及其应用也给予了具体的介绍。
1.1半导体基础知识
1.1.1半导体（Semiconductor）
自然界中的物质按导电能力强弱的不同，可以分为三大类：
导体、绝缘体和半导体。
导体是导电能力特别强的物质，例如一般的金属、碳和电解液等；绝缘体是导电能力特别差，几乎不导电的物质，例如胶木、橡胶和陶瓷等；半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，常用的半导体材料有锗（Ge）、硅（Si）和砷化镓（GaAs）等，大多数半导体器件所用的主要材料就是锗和硅。
尽管半导体的导电性能不如导体，绝缘性能又不如绝缘体，但半导体却得到广泛的应用，现代电子技术的发展实际上就是半导体技术的发展，为什么半导体技术会有如此之大的影响力呢？
主要在于半导体具有如下一些奇妙特性：
（1）杂敏性半导体对杂质很敏感。
在半导体硅中只要掺入亿分之一的硼（B），电阻率就会下降到原来的几万分之一。
人们就用控制掺杂的方法，精确地控制半导体的导电能力，制造出各种不同性能、不同用途的半导体器件，如普通半导体二极管、三极管、可控硅、电阻和电容等。
而且，在半导体中不同的部分掺入不同的杂质就呈现不同的性能，再采用一些特殊工艺，将各种半导体器件进行适当的连接就可制成具有某一特定功能的电路—集成电路，甚至系统，这是半导体最具魅力之处。
（2）热敏性半导体对温度很敏感。
温度每升高10℃，半导体的电阻率就减小为原来的二分之一。
这种特性对半导体器件的工作性能有许多不利的影响，但利用这一特性可制成自动控制中有用的热敏电阻，热敏电阻可以感知万分之一摄氏度的温度变化。
把热敏电阻装在机器的各个重要部位，就能集中控制和测量它们的温度。
用热敏电阻制作的恒温调节器，可以把环境温度稳定在上下不超过0.5℃的范围。
在农业上，热敏电阻能准确地测出植物叶面的温度和土壤的温度。
它还能测量辐射，几百米远人体发出的热辐射或lkm外的热源都能方便地测出。
（3）光敏性半导体对光照很敏感。
半导体受光照射时，它的电阻率会显著减小。
例如，一种硫化铬（CdS）的半导体材料，在一般灯光照射下，它的电阻率是移去灯光后的几十分之一或几百分之一。
自动控制中用的光电二极管、光电三极管和光敏电阻等，就是利用这一特性制成的。
应用这些光电器件可以实现路灯、航标灯的自动控制，制成火灾报警装置，可以进行产品自动计数，实现机器设备的人身安全保护等。
半导体为什么会具有这些特性呢？
根本的原因在于半导体的特殊结构，下面就对此进行讨论，我们首先来了解一下本征半导体。
1.1.2本征半导体
纯净的半导体晶体称为本征半导体。
半导体原子结构的简化模型如图1.1所示，每个原子的最外层有四个电子（通常称为价电子）。
在硅或锗的晶体中，原子在空间排列成为规则的晶格，两个相邻的原子共有一对价电子，形成所谓共价键。
在绝对零度时，每个原子都和周围的4个原子以共价键的形式相互紧密联接成牢固的晶体,如图1.2所示。
由于此时的本征半导体不存在自由电子，所以没有导电能力，就等同于绝缘体。
图1.1原子简化模型图1.2半导体的共价键结构图1.3本征半导体中的电子和空穴
在室温下，由于价电子的热运动，共价键中的某些电子可以获得足够的动能，挣脱原子核的束缚，离开共价键而成为“自由电子”，这种现象称为热激发，又叫本征激发。
共价键中的电子在挣脱束缚成为自由电子后，在它原来的位置就会留下一个空位，称为“空穴”,如图1.3所示。
空位处因缺少了一个带负电的价电子而呈现出正电性，所以空穴带正电。
邻近的价电子很容易被此空穴所吸引，跑来填补这个空位并在邻近原子处又生成一个新的空位，这就是“空穴的运动”。
可见，自由电子和空穴总是成对出现的，称为“电子空穴对”。
热激发导致电子空穴对的产生，而自由电子在移动过程中又可能填补某个空穴，这时就会消失一个电子空穴对，这称为电子与空穴的“复合”。
产生的电子空穴对愈多，复合的机会也就愈大，所以在室温下，本征半导体中存在的电子空穴对数量是很有限的，其导电能力也很弱。
在本征半导体中电子和空穴总是成对出现的，所以自由电子和空穴的数量相等。
半导体在外加电场的作用下，半导体中的自由电子向电源正极移动形成电子电流，而空穴向负极移动形成空穴电流。
可见电子和空穴是半导体中两种运载电荷的粒子，统称为“载流子”。
半导体有两种载流子同时参与导电，这是半导体区别于金属导体的一个重要特性。
1.1.3杂质半导体
本征半导体在室温下所存在的电子空穴对很少，因此导电能力很差。
但是只要在本征半导体中掺入千万分之一的某种杂质，其导电能力就会大大改善。
掺入杂质的半导体称为杂质半导体。
人们通过掺入不同种类和数量的杂质元素，来控制半导体的导电性能，制造出众多的半导体器件，如二极管、三极管、场效应管、集成电路以及各种特殊的半导体器件。
根据掺入的杂质不同，可分为N型半导体和P型半导体两类。
1.N型半导体
在硅（或锗）晶体中掺入五价元素（如磷、砷、锑等）后，杂质原子就代替了晶体中某些硅原子的位置，它同相邻的四个硅原子组成共价键时，就多余一个价电子，该电子在共价键之外，在室温下就很容易挣脱束缚成为自由电子。
同时，杂质原子因失去一个价电子而成为正离子，它们在晶阵中不能移动，也不参与导电。
由于杂质原子可提供大量的自由电子，而不产生空穴，这样在半导体中自由电子的数量远大于空穴的数量。
这种半导体将以自由电子导电为主，所以称自由电子为“多数载流子”（简称多子），空穴为“少数载流子”（简称少子），我们把这种半导体称为N型半导体或电子型半导体。
N型半导体的结构示意如图1.4所示。
图1.4N型半导体中的晶体结构图1.5P型半导体中的晶体结构
2.P型半导体
在硅（或锗）晶体内掺入少量三价元素（如硼、铝、铟等）后，杂质原子的三个价电子与周围的硅原子形成共价键时，出现一个空穴，如图1.5所示。
邻近的价电子受到热激发获得能量时，就很有可能填充这个空穴，使杂质原子变成不能移动的负离子。
杂质原子在产生空穴的同时并不产生新的自由电子，使得半导体中的空穴数量远多于自由电子的数量，即空穴是多子，自由电子是少子，我们把这种杂质半导体称为P型半导体或空穴型半导体。
应当指出，本征半导体掺入某种杂质的过程中，既不损失电荷，也未获得电荷，整个半导体内正负电荷处于平衡状态，所以杂质半导体呈电中性。
在本征半导体中掺入微量杂质后，其导电能力可以大大增强，通过控制杂质浓度可以改变其导电能力的强弱。
在半导体集成电路中，电阻元件就是基于这样的原理而制做的。
1.2PN结与二极管
1.2.1PN结及其单向导电性
一块本征半导体中掺进不同的杂质，使一部分为P型，另一部分为N型，那么在P型与N型中间就会产生一个过渡区，这个过渡区具有特殊的电学性能，称为PN结。
PN结是构成众多半导体器件的基础，下面我们就来讨论PN结的形成和它的单向导电性。
1．PN结的形成
（a）多数载流子的扩散运动（b）形成空间电荷区
图1.6PN结的形成
一块杂质半导体，它的一侧是P区，另一侧为N区，在P区和N区之间形成一交界面，如图1.6所示。
P区的多子是空穴，少子是自由电子；而N区的多子是电子，少子是空穴，这样在P区和N区的交界面就出现了多子和少子的浓度差。
N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，这种由于浓度差异而引起的运动称为“扩散运动”。
扩散到P区的电子不断地与空穴复合，同时P区的空穴向N区扩散，并与N区中的电子复合。
交界面两侧多子复合的结果就出现了由不能移动的带电离子组成的“空间电荷区”，如图1.6（b）所示。
N区一侧出现正离子区，P区一侧出现负离子区，正负离子在交界面两侧形成一个内电场。
这个内电场对多子的扩散运动起阻碍作用的同时，又有利于N区中的少子（空穴）进入P区，P区的少子（电子）进入N区，这种在内电场作用下少子的运动称为“漂移运动”。
扩散运动有助于内电场的加强，内电场的加强将阻碍多子的扩散，而有助于少子的漂移，少子漂移运动的加强又将削弱内电场，又有助于多子的扩散，最终扩散运动和漂移运动必在一定温度下达到动态平衡：
即在单位时间内由P区扩散到N区的空穴数量等于由P区漂移到N区自由电子数量，形成彼此大小相等，方向相反的漂移电流和扩散电流，交界面的总电流为零。
在动态平衡时，交界面两侧缺少载流子的区域称为“耗尽层”，这就是PN结。
综上所述，在无外加电场或其他因素激发时，PN结处于平衡状态，空间电荷区的宽度就是一定的（约几微米到几十微米），此时的PN结电阻很大，P区与N区的体电阻与之比较通常可以忽略。
2．PN结的单向导电性
要想使PN结中有电流通过，就必须打破扩散和漂移所建立的动态平衡，这就需要给PN结外加电场。
（1）PN结正偏—外加正向电压
在图1.7中，当P区接电源正端，N区接电源负端时，外加电场与PN结内电场方向相反，内电场被削弱，耗尽层变窄，打破了PN结的平衡状态，使扩散占优势。
多子形成的扩散电流通过回路形成很大的正向电流，此时PN结呈现的正向电阻很小，称为“正向导通”。
为保护PN结，通常要在回路中串联一个限流电阻。
（2）PN结反偏—外加反向电压
在图1.8中，当P区接电源负端，N区接电源正端时，外加电场与PN结内电场方向相同，内电场被加强，耗尽层变宽，打破了PN结的平衡状态，使漂移占优势。
两区的少子在内电场作用下漂移过PN结形成了反向电流。
因为少子浓度很低，所以反向电流很小，而且在温度一定时，少子的浓度基本保持恒定，故又称反向电流为反向饱和电流，用IS表示。
反偏的PN结所呈现的反向电阻很大，称为“反向截止”。
图1.7外加正向电压时的PN结图1.8外加反向电压时的PN结
由以上分析可知，PN结外加正向电压时，表现为正向导通；外加反向电压时，表现为反向截止，这就是PN结的单向导电性。
还应特别指出，当环境温度升高时，由于热激发使半导体内载流子的浓度也将增加，因此PN结的反向饱和电流将增大。
这是造成半导体器件工作时不稳定的重要因素，在实际应用中必须加以考虑。
1.2.2二极管及其伏安特性
在PN结的两端引出两个电极，并在外面装上管壳，就成为半导体二极管。
1．二极管的结构和符号
二极管的结构和符号，如图1.9所示。
接在P区的引出线称为二极管的阳极，用A表示；接在N区的引出线称为二极管的阴极，用k表示。
图1.9半导体二极管的结构、符号和外形
2．二极管的伏安特性
加在二极管两端的电压和流过二极管电流间的关系称为二极管的伏安特性，二极管电压和流过二极管的电流可用如图1.10（a）和图1.10（b）所示电路进行测试。
根据测出的二极管两端电压及对应的流过二极管的电流数值，所描绘出的电流随电压变化的曲线，称为二极管的伏安特性曲线，如图1.11所示（图中指的是硅二极管）。
（a）测正向伏安特性；（b）测反向伏安特性
图1.10测试二极管伏安特性电路
图1.11二极管伏安特性
下面对二极管伏安特性曲线加以说明。
（1）正向特性
当二极管加正向电压（P接电源的正端，N接电源的负端）时，伏安特性曲线分为正向死区和正向导通区两部分。
（a）正向死区：
图1.11所示OA区域，称为正向死区。
当加在二极管两端正向电压较小时，正向电流极小（几乎为零），二极管呈现很大的电阻，这一部分区域称为正向特性的死区。
随着二极管两端电压不断增大，并超过某一电压时，流过二极管的电流快速增加，所以称这个电压为门坎电压，有时也称死区电压。
在常温下，硅管的门坎电压约为0.5～0.7V，锗管约为0.1～0.3V。
（b）正向导通区：
图1.11所示AB段为正向导通区。
当二极管正向电压大于门坎电压Uth时，电流随电压增加而迅速增大，二极管处于导通状态，电流与电压的关系基本上是一条指数曲线。
此时，正向电流上升很快，而二极管的正向压降变化很小，基本保持不变。
（2）反向特性
当二极管两端加反向电压时，伏安特性曲线分为反向截止区和反向击穿区两部分。
（a）反向截止区：
图1.11中OC段为反向截止区。
在反向截止区，给二极管加反向电压时，反向电流很小，呈现的电阻很大，二极管处于反向截止状态。
这时流过二极管的反向电流几乎不随反向电压的变化而变化，该电流叫做反向饱和电流IS。
小功率硅管的IS约为几十μA，小功率锗管的IS约为几百μA。
温度升高时，反向饱和电流随之增加。
（b）反向击穿区：
当反向电压增加到一定大小时，反向电流急剧增加，这种现象称为二极管的反向击穿，如图1.11的CD段所示。
这时的反向电压称为二极管的反向击穿电压，用UBR表示。
普通二极管反向击穿后，应当采取限流措施，否则很大的反向击穿电流会使PN结温度迅速升高而烧坏PN结。
在实际应用中，应尽量避免二极管的反向击穿。
（3）二极管V-I特性的表达式
根据理论分析，二极管的V-I特性可表达为
（1-1）
其中UD加在二极管两端的电压；UT为温度的电压当量，在常温下（绝对温度300K）为26mV；iD为通过二极管的电流；IS为二极管的反向饱和电流。
1.2.3二极管的主要参数
二极管的参数是工程设计中选用二极管的主要依据，二极管的主要参数如下：
1．最大正向电流IF
是指二极管长期运动时允许通过的最大正向平均电流，如果实际工作时的正向平均电流超过此值，二极管内的PN结可能会过分发热而损坏。
2．最高反向工作电压UR
是指正常使用时所允许加在二极管两端的最大反向电压。
为了确保二极管安全工作，通常取二极管反向击穿电压UBR的一半作为UR。
3．反向饱和电流IS
是指二极管未击穿时的反向电流，其值愈小，则二极管的单向导电性愈好。
由于反向电流会随着温度的增加而增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。
4．极间电容
在二极管的PN结交界处形成的势垒区，是积累空间电荷的区域，当PN结两端加上交变电压时，空间电荷就会随之改变，PN结就会显示出电容效应。
外加电压变化频率越高，电容效应就越显著。
这样就可用图1.12表示二极管的高频等效电路，其中r表示结电阻，C表示结电容，包括势垒电容和扩散电容的总效果。
（1）势垒电容CB
由于PN结的势垒区中空间电荷随外加电压的变化而变化形成的电容效应称势垒电容。
势垒电容CB的大小与PN结面积S成正比，与耗尽层厚度成反比。
在二极管反偏时，结电容主要决定于势垒电容CB。
（2）扩散电容CD
由于加在PN结上的正向电压大小变化，积累在P区的电子浓度或N区的空穴浓度随之发生变化形成了电容效应，它反映了在外加电压作用下载流子在扩散过程中积累情况，因此称扩散电容CD。
在二极管正偏时，结电容主要决定于扩散电容CD。
二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体手册中都给出了各种型号管子的参数。
在使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则管子容易损坏。
表1.1中列出一些常用二极管参数，以供参考。
其中，2AP1～7检波二极管（点接触型锗管），在电子设备中作检波和小电流整流用；2CZ52～57系列整流二极管，用于电子设备的整流电路中。
表1.1几种半导体二极管的主要参数
（1）国产2AP型锗二极管
电路仿真分析及其分析结果的输出
将所要分析的电路输入PSpice程序以后，就可以对该电路进行电路仿真分析。
PSpice采用以“.”开头的分析命令的形式来规定电路分析的类型，并在语句中设置分析的格式。
本章主要介绍以下几种类型的分析命令语句：
●电路的直流分析（DC分析）
●电路的交流分析（AC分析）
●电路的暂态分析（TRAN分析）
●电路统计分析
●电路分析结果输出命令
●其他常用的命令语句
3.1电路的直流分析（DC分析）
一、参数赋值语句和函数定义语句
在电路分析中，常常用一个数学公式来表示电路变量之间的关系，如图所示的两个电阻分压电路中，分压比就
可以用如下公式表示：
在某些仿真分析中，不一定需要确定分压电路两个电阻的阻值，而只需要电路的分压比即可。
但Pspice规定电阻元件描述语句必须给出具体的电阻值。
在这种情况下，应用参数赋值语句和函数定义语句比较方便。
利用函数定义语句可以将一些参数用数学表达式表示，而利用参数定义语句就可以用数学表达式代替元件描述中的参数值，而且还可以利用直流扫描语句对它进行扫描。
参数赋值语句格式如下：
语句中的name是定义的参数名，value和expression分别是参数值和表达式，表达式expression只允许包含常数或前面已定义过的参数，其他参数不能出现在表达式中。
语句定义好后，就可用定义的参数名代替电路说明过的大多数参数（包括所有的模型参数）。
但语句中的参数名（name）不能与程序中已定义过的其他参数名相同，也不能用带“.”的命令名定义参数名。
注意，参数不能用于节点号，不能将分析语句（如.DC，.AC，.TRAN等）中的设定值参数化。
一般把由.PARAM语句定义过的参数称为G参数。
应用举例，利用参数赋值语句来描述上图的电阻分压电路：
.PARAMRTOTAL=100K；其中RTOTAL=R1+R2
.PARAMK=0.2；K为分压比
R112{RTOTAL*（1-K）}
R220{RTOTAL*K}
由于设置了参数RTOTAL和K，就可以很容易的调节电阻R1和R2的阻值。
若要改变分压比，只需改变参数K即可，而不必考虑两个电阻阻值的改变。
应当注意电阻描述语句中阻值部分的语句格式：
大括号{}是必须存在，是PSpice要求的。
括号里面的内容是定义的函数关系，在本例中函数的变量是RTOTAL和K。
在PSpice中函数可以有更为复杂的关系。
PSpice中已定义的函数和运算如下：
函数和运算表
函数和运算
数学等式
意义
+
+
加法
—
—
减法
*
×
乘法
／
÷
除法
SQRT（x）
x的平方根
ABS（x）
x的绝对值
EXP（x）
e的x次幂
LOG（x）
ln（x）
x的自然对数
LOGl0（x）
log（x）
x以10为底的对数
PWR（x,y）
x的y次幂
PWRS（x,y）
符号函数x的y次幂
SIN（x）
sin（x）
x的正弦
COS（x）
cos（x）
x的余弦
TAN（x）
tan（x）
x的正切
ATAN（x）
cot（x）
x的余切
对于更为复杂的函数关系，我们也可以利用函数定义语句来确定函数和变量的关系。
函数定义语句的格式如下：
4
应用举例：
.FUNCFF（X）EXP（X）*SIN（X）
.FUNCMIX（A，B）（A+B+ABS（A-B））／2
对于上图的电阻分压电路的电阻R1就有了四种描述方式（描述分压电路的其他语句不变）：
方式一：
R11240K；直接写阻值
方式二：
R112{RTOTAL*（1-K）}；阻值为函数表达式
方式三：
.PARAMTOP=RTOTAL*（1-K）；定义一个新参数
R112{TOP}
方式四：
.FUNCTOP（RTOTAL,K）RTOTAL*（1-K）：
定义函数
R112{TOP（RTOTAL,K）}
从上面的四种方式可以看出，元件参数的赋值十分灵活，在参数的扫描分析中尤为有用。
二、直流工作点分析语句
直流工作点分析语句格式：
此语句用于计算、并打印出电路的直流工作点（又称直流偏置点）。
此时电路中的电感按短路、电容按开路处理。
设置了该语句，输出文件可打印所有节点电压、所有电压源的电流及电路的直流功耗、所有晶体管各极的电流和电压、非线性受控源的小信号（线性化）参数。
注意：
无论输入文件中有无.OP语句，程序在进行直流、交流和暂态分析时，都要自动进行直流偏置点分析。
如果没有.OP语句，输出文件只打印所有节点电压和所有电压源的电流及电路的直流功耗三项内容，不能打印所有晶体管各极的电流和电压、非线性受控源的小信号（线性化）参数。
三、直流扫描分析语句
直流分析语句用于对电路进行直流分析。
语句在执行过程中，指定的变量在指定的范围内进行扫描，每给一个变量的扫描点，就对电路进行一次直流分析计算，计算内容是节点电压和支路电流。
直流分析语句可对如下变量进行扫描：
●电源：
任何独立电压源、电流源的电流、电压值均可设为扫描变量。
●模型参数：
在.MODEL语句中描述的模型参数均可设为扫描变量。
●温度：
设置TEMP作为扫描变量时，对每个扫描变量值，电路元器件的模型参数都要更新为当前温度下的值，所以执行该分析程序就是分析了扫描温度下的电路的直流特性。
●全程参数：
扫描变量使用关键字PARAM，后跟参数名。
按照.PARAM的定义，该扫描变量就为全程参数。
说明：
对哪个变量扫描，该变量就是自变量，即该变量是Probe输出图形的横坐标。
直流分析语句格式：
分析语句对变量扫描时有四种扫描方式，它们是：
LIN：
线性扫描，每一个扫描点和它前后扫描点之间的距离是相等的。
每两个相邻扫描点间的距离为扫描增量。
OCT：
2倍频程扫描，扫描变量按2倍频程的规律进行对数扫描，本次扫描频程中扫描点的间隔是上一次扫描频程中扫描间隔的2倍：
也就是说，本次扫描的范围是上一次扫描范围的2倍，但扫描点数不变。
DEC：
10倍频程扫描，扫描变量按10倍频程的规律进行对数扫描，本次扫描频程中扫描点的间隔是上一次扫描频程中扫描间隔的10倍：
即，本次扫描的范围是上一次扫描范围的10倍，但扫描点数不变。
LIST：
列表扫描，对指定的扫描变量列表值进行扫描计算。
直流分析语句格式扫描类型（）是LIN（线性扫描）、OCT（2倍频程扫描）、DEC（10倍频程扫描）、LIST（列表扫描）中的一种，如果这一项省略，程序默认为LIN扫描。
如果是列表扫描，这一项放在整个语句的最后面。
扫描变量名（sweepvariablename）：
独立电压源、电流源的名字或参数名，以及模型参数名、G参数（由.PARAM语句定义过的参数为G参数）和TEMP（环境温度）等，均可为扫描变量名。
开始值（start-value）：
扫描变量的起始值，即扫描从这个值开始。
终值（end-value）：
扫描变量的终止值，扫描至这个值后，扫描结束。
从开始值到终值这一范围为扫描区间。
扫描值类型（sweep-value-type）：
在线性类型（LIN）扫描中，扫描值类型为增量形式，即设扫描步长：
在对数类型（OCT、DEC）扫描中，扫描值类型为扫描点数形式，即在每个频程段内扫描多少个点。
嵌套扫描设置说明（）：
在.DC分析中，允许进行嵌套扫描，所谓嵌套扫描是指在同一语句设置了一个扫描源后，还可以设置另一个扫描源。
当设置了第二个扫描源以及相关参数后，对于第二个扫描源中的每一个值，程序都将第一个扫描源在其扫描范围内扫描一遍，并产生一个完整的PRINT表和PLOT图，这在计算器件的输出特性曲线族时是很有用的。
应用举例：
.DCVIN-5V10V0.25
上面这条语句的含
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