半导体二极管及其基本电路Word文件下载.docx

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电阻率ρ<

10-4Ω·

cm

　　绝缘体：

电阻率ρ>

109Ω·

　　半导体：

电阻率ρ介于前两者之间。

　　目前制造半导体器件的材料用得最多的有：

硅和锗两种

二、本征半导体及本征激发

1、本征半导体

　　没有杂质和缺陷的半导体单晶，叫做本征半导体。

2、本征激发

　　当温度升高时，电子吸收能量摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程，称为本征激发。

三、杂质半导体

　　在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的变化。

因掺入杂质不同，杂质半导体可分为空穴（P）型半导体和电子（N）型半导体两大类。

1、P型半导体

　　在本征半导体中掺入少量的三价元素杂质就形成P型半导体，P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。

2、N型半导体

　　在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N型半导体。

N型半导体的多数载流子是电子，少数载流子是空穴。

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第三节　PN结的形成及特性

一、PN结及其形成过程　

　　在杂质半导体中，正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中性。

1、载流子的浓度差产生的多子的扩散运动

　　在P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，N型区内的电子很多而空穴很少，P型区内的空穴很多而电子很少，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。

2、电子和空穴的复合形成了空间电荷区

　　电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P区和N区中原来的电中性被破坏。

P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留下带正电的离子，这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。

3、空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动

　　在空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场。

因为内电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，所以它是阻止载流子的扩散运动的。

　　综上所述，PN结中存在着两种载流子的运动。

一种是多子克服电场的阻力的扩散运动；

另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。

因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。

由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。

二、PN结的单向导电性

　　PN结在外加电压的作用下，动态平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。

1、外加正向电压

　　当PN结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使空间电荷区（PN结）变窄。

同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。

这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压用VF表示。

　　在VF作用下，通过PN结的电流称为正向电流IF。

外加正向电压的电路如图所示。

2、外加反向电压

　　当PN结外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使空间电荷区（PN结）变宽,同时空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。

这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电压用VR表示。

在VR作用下，通过PN结的电流称为反向电流IR或称为反向饱和电流IS。

如下图所示。

3、PN结的伏安特性

根据理论分析，PN结的伏安特性可以表达为：

　　式中iD为通过PN结的电流，vD为PN结两端的外加电压；

VT为温度的电压当量=kT/q=T/11600=0.026V，其中k为波尔慈曼常数（1.38×

10-23J/K），T为绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×

10-19C）；

e为自然对数的底；

IS为反向饱和电流。

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第四节　半导体二极管

一、半导体二极管的结构

　　半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。

　　点接触型二极管是由一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和一块半导体（如锗）的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成，如图2.7所示。

由于点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。

这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可用来作小电流整流。

如2APl是点接触型锗二极管，最大整流电流为16mA，最高工作频率为15OMHz。

　　面接触型或称面结型二极管的PN结是用合金法或扩散法做成的，其结构如图2.7所示。

由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。

这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。

如2CPl为面接触型硅二极管，最大整流电流为40OmA，最高工作频率只有3kHz。

　　图2.7中的硅工艺平面型二极管结构图，是集成电路中常见的一种形式。

代表二极管的符号也在图2.7中示出。

　　部分二极管实物如图2.8所示。

二、极管的伏安特性　

　　实际的二极管的V-I特性如图2.9所示。

由图可以看出，二极管的V-I特性和PN结的V-I特性（图2.6）基本上是相同的。

下面对二极管V-I特性分三部分加以说明:

1、正向特性：

二极管外加正向偏置电压时的V-I特性

　　对应于图2.9（b）的第①段为正向特性，此时加于二极管的正向电压只有零点几伏，但相对来说流过管子的电流却很大，因此管子呈现的正向电阻很小。

但是，在正向特性的起始部分，由于正向电压较小，外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电流几乎为零，二极管呈现出一个大电阻，好像有一个门坎。

硅管的门坎电压Vth（又称死区电压）约为0·

5V，锗管的Vth约为0·

lV，当正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增长。

2、反向特性：

二极管外加反向偏置电压时的V-I特性

　　P型半导体中的少数载流子（电子）和N型半导体中的少数载流子（空穴），在反向电压作用下很容易通过PN结，形成反向饱和电流。

但由于少数载流子的数目很少，所以反向电流是很小的，如图2.9（b）的第②段所示，一般硅管的反向电流比锗管小得多，其数量级为：

硅管nA级，锗管大mA级。

　　温度升高时，由于少数载流子增加，反向电流将随之急剧增加。

3、反向击穿特性：

二极管击穿时的V-I特性

　　当增加反向电压时，因在一定温度条件下，少数载流子数目有限，故起始一段反向电流没有多大变化，当反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增，这叫做二极管的反向击穿，对应于图2.9的第③段，其原因与PN结击穿相同。

三、二极管的主要参数

　　1、最大整流电流IF：

是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。

因为电流通过PN结要引起管子发热，电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。

例如2APl最大整流电流为16mA。

　　2、反向击穿电压VBR：

指管子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，甚至因过热而烧坏。

一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。

例如2APl最高反向工作电压规定为2OV，而反向击穿电压实际上大于40V。

　　3、反向电流IR：

指管子末击穿时的反向电流，其值愈小，则管子的单向导电性愈好。

由于温度增加，反向电流会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。

　　4、极间电容CJ：

二极管的极间电容包括势垒电容和扩散电容，在高频运用时必须考虑结电容的影响。

二极管不同的工作状态，其极间电容产生的影响效果也不同。

　　二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号管子参数。

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，否则将容易损坏管子。

第五节　二极管基本电路及其分析方法

　　在电子技术中，二极管电路得到广泛的应用。

本节只介绍几种基本的电路，如限幅电路、开关电路、低电压稳压电路等。

　　二极管是一种非线性器件，因而二极管电路一般要采用非线性电路的分析方法。

这里主要介绍比较简单理想模型和恒压模型分析法。

一、二极管正向特性的数学模型

1、理想模型--理想的开关　

　　图2.10表示理想二极管的VI特性和符号，其中的虚线表示实际二极管的VI特性。

由图中可见，在正向偏置时，其管压降为OV，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。

在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的。

2、恒压模型--其正向压降为0.7V（硅管）　

　　这个模型如图2.11所示，其基本思想是当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V，不过，这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。

该模型提供了合理的近似，因此应用也较广。

二、模型分析法应用举例

1、静态工作点分析

　　电路如图2.12所示，请分别用二极管的理想模型和恒压模型分析其静态工作点。

（1）使用理想模型得：

VD=0V，ID=VDD/R

（2）使用恒压模型得：

VD=0.7V，ID=（VDD-VD）/R

　　上述的计算结果表明：

VDD>

>

VD时，使用恒压模型较好，因此，根据实际情况选择合适的模型是关键。

2、模型分析法应用举例

例题1：

如果图示电路（a）中设二极管为恒压模型。

求电路中输出的电压Vo值说明二极管处于何种状态？

解：

假设先将A、B断开，则VA=-10V,VB=-5V，∴VAB=VA-VB=-5V，可见重新接入后二极管将处于反向截止状态：

电路中电流为0（反向电阻无穷大），∴电阻R上的压降为0，Vo=-5V成立。

例题2：

如果图2.13所示电路（b）中设二极管为恒压模型。

∵将D1、D2断开，VB1A＝9V，VB2A=-12-（-9）=-3V∴将D1、D2接入后，D1导通，D2截止，VA被D1箝位在－0.7V上。

∴Vo=VA=-0.7V成立。

第六节　特殊二极管

　　除前面所讨论的普通二极管外，还有若干种特殊二极管，如齐纳二极管、变容二极管、光电子器件（包括光电二极管、发光二极管和激光二极管）等，本节主要讨论齐纳二极管及其应用。

一、齐纳二极管

　　齐纳二极管又称稳压二极管，是一种特殊的面接触型硅晶体二极管。

由于它有稳定电压的作用，经常应用在稳压设备和一些电子线路中。

　　稳压二极管的特性曲线与普通二极管基本相似，只是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。

　　稳压二极管的正常工作范围，是在伏安特性曲线上的反向电流开始突然上升的A、B段。

这一段的电流，对于常用的小功率稳压管来讲，一般为几毫安至几十毫安。

1、稳压二极管的主要参数

（1）稳定电压Vz

　　稳定电压就是稳压二极管在正常工作时，管子两端的电压值。

这个数值随工作电流和温度的不同略有改变，既是同一型号的稳压二极管，稳定电压值也有一定的分散性，例如2CW14硅稳压二极管的稳定电压为6～7.5V。

（2）耗散功率PM

　　反向电流通过稳压二极管的PN结时，要产生一定的功率损耗，PN结的温度也将升高。

　根据允许的PN结工作温度决定出管子的耗散功率。

通常小功率管约为几百毫瓦至几瓦。

　　（3）稳定电流IZ、最小稳定电流IZmin、大稳定电流IZmax

　　稳定电流：

工作电压等于稳定电压时的反向电流；

　　最小稳定电流：

稳压二极管工作于稳定电压时所需的最小反向电流；

　　最大稳定电流：

稳压二极管允许通过的最大反向电流。

2、稳压二极管的应用　　　　　　　　　　

　　稳压管常用在整流滤波电路之后，用于稳定直流输出电压的小功率电源设备中。

　　如图由R、Dz组成的就是稳压电路，稳压管在电路中稳定电压的原理如下：

　　只要R参数选得适当，就可以基本上抵消Vi的升高值，因而使Vo基本保持不变。

　　可见，在这种稳压电路中，起自动调节作用的主要是稳压二极管Dz，当输出电压有较小的变化时，将引起稳压二极管电流Iz的较大变化，通过限流电阻R的补偿作用，保持输出电压Vo基本不变。

限流电阻R的选择：

　　1、当I0=I0min、VI=VImax时要求：

　　2、当I0=I0max、VI=VImin时要求：

故R的取值范围为：