第17講 半導(dǎo)體二極管

電工電子技術(shù)

譚甜源、張立宏辦公地點(diǎn)：3教3312手機(jī)-Mail:tty@QQ:82383235QQ群：

213738876電子技術(shù)基礎(chǔ)篇半導(dǎo)體元器件是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要組成部分，是構(gòu)成各種電子電路的核心，常用的半導(dǎo)體元器件有二極管、晶體管、場效應(yīng)管等。半導(dǎo)體元器件由半導(dǎo)體材料制成，因此，學(xué)習(xí)電子技術(shù)應(yīng)首先了解半導(dǎo)體材料的特性，這將有助于對半導(dǎo)體元器件的學(xué)習(xí)、掌握和應(yīng)用。

1.5半導(dǎo)體二極管1.5.0半導(dǎo)體的基本知識1導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。2半導(dǎo)體材料的特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)：摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)1.5.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，其原子結(jié)構(gòu)如下：電子原子核原子核電子

簡化模形鍺和硅都有４個價電子價電子慣性核+4

簡化模形鍺和硅都有４個價電子價電子+4慣性核

簡化模形鍺和硅都有４個價電子價電子慣性核+4

簡化模形鍺和硅都有４個價電子價電子慣性核+4純凈的硅、鍺叫做本征半導(dǎo)體。它們在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健+4+4

+4+4+4表示除去價電子后的原子束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子（●）。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴(○)

。失去價電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。

可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。

與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時進(jìn)行，達(dá)到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對復(fù)合成對消失在外電場的作用下，自由電子逆著電場方向定向運(yùn)動形成電子電流。帶正電的空穴吸引相鄰原子中的價電子來填補(bǔ)，而在該原子的共價鍵中產(chǎn)生另一個空穴。空穴被填補(bǔ)和相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順著電場方向移動，形成空穴電流?？梢娫诎雽?dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子，它們都能參與導(dǎo)電?？昭ㄒ苿臃较?/p>

電子移動方向

外電場方向Si+4+4+4+4+4+4受主雜質(zhì)容易獲得一個價電子成為負(fù)離子，而在這種半導(dǎo)體中載流子主要是空穴，空穴帶正電荷（Positive）故命名為P型半導(dǎo)體。于是用這樣的示意圖表示。雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子與空穴的數(shù)目就不再是相等了，將要出現(xiàn)電子數(shù)大于空穴數(shù)或空穴數(shù)大于電子數(shù)。把數(shù)目多的載流子稱多數(shù)載流子，數(shù)目少的載流子稱少數(shù)載流子。是自由電子為多數(shù)還是空穴為多數(shù)，取決于摻雜物質(zhì)。少數(shù)載流子的濃度取決本征激發(fā)。而施主雜質(zhì)因失去一個價電子成為正離子。而在這種半導(dǎo)體中載流子主要是自由電子，自由電子帶負(fù)電荷（Negative），故命名為N型半導(dǎo)體。于是用這樣的示意圖表示。本征半導(dǎo)體中有載流子，但數(shù)量很少，故沒有實用價值，須對本征半導(dǎo)體進(jìn)行改造，以增加載流子的數(shù)量。其有效的措施是在四價元素中摻入微量三價或五價元素（雜質(zhì)），這種摻雜后得到的半導(dǎo)體稱雜質(zhì)半導(dǎo)體。（人們常稱的半導(dǎo)體，實際是指的雜質(zhì)半導(dǎo)體，而不是本征半導(dǎo)體）由于摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型和P型兩大類。2.N型和P型半導(dǎo)體半導(dǎo)體摻雜+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+5受主雜質(zhì)施主雜質(zhì)N型P型

P型和N型半導(dǎo)體單獨(dú)使用，僅起到電阻元件的作用，所以單個P型和N型半導(dǎo)體其使用價值仍然不大。實用中是通過工藝的手段把P型和N型半導(dǎo)體有機(jī)的結(jié)合起來，形成一個所謂的PN結(jié)，它是現(xiàn)代電子技術(shù)迅速發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。它是構(gòu)成各種電子器件的最基本的積木塊。3.PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦裕?）PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)(2)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?)PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負(fù)外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2)PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場P接負(fù)、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN結(jié)變寬2)PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負(fù)、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。此電流稱反向飽和電流，用Is表示。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－1.伏安特性ui死區(qū)反向正向UBRURWMI0M導(dǎo)通區(qū)硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3V鍺0.1V硅0.5V正向特性：（3）PN結(jié)的伏安特性2.技術(shù)參數(shù)IS死區(qū)電壓導(dǎo)通壓降熱擊穿（破壞性）反向飽和電流Is反向特性：擊穿電壓U（BR）電擊穿（可逆）反向擊穿擊穿區(qū)飽和區(qū)

根據(jù)理論分析：u為PN結(jié)兩端的電壓降i為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量其中k為玻耳茲曼常數(shù)1.38×10－23q為電子電荷量1.6×10－19T為熱力學(xué)溫度對于室溫（相當(dāng)T=300K）則有UT=26mV。當(dāng)u>0u>>UT時當(dāng)u<0|u|>>|UT

|時4.PN結(jié)的電容效應(yīng)所謂電容，存儲電荷的容器。電容效應(yīng)則表現(xiàn)為，電容上的電壓變化時，電容器存儲電荷的增減，即電容器的充放電過程。結(jié)電容一般很小，只有當(dāng)工作頻率很高時才需要考慮。PN結(jié)是一個空間電荷區(qū)，相當(dāng)于一個充電的平板電容器，當(dāng)PN結(jié)偏置電壓改變時，空間電荷也隨之改變。因此，PN結(jié)有電容效應(yīng)。此電容稱為結(jié)電容，用Cj表示面接觸型管子的特點(diǎn)是，PN結(jié)的結(jié)面積大，能通過較大電流，但結(jié)電容也大，適用于低頻整流電路。半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管是由一個PN結(jié)構(gòu)成的二端元件。其端鈕有確定的命名，即一端叫陽極a，一端叫陰極k。1.5.2半導(dǎo)體二極管1.基本結(jié)構(gòu)及分類（1）點(diǎn)接觸型二極管（2）面接觸型二極管（3）平面型二極管點(diǎn)接觸型管子的特點(diǎn)是，PN結(jié)的結(jié)面積小，因而結(jié)電容小，主要用于高頻檢波和開關(guān)電路。既不能通過較大電流，也不能承受高的反向電壓。平面型管子的特點(diǎn)是，PN結(jié)的結(jié)面積大時，能通過較大電流，適用于大功率整流電路；結(jié)面積較小時，結(jié)電容較小，工作頻率較高，適用于開關(guān)電路。kaVD按材料的不同，常用的二極管有硅管和鍺管兩種；按其用途二極管分為普通二極管和特殊二極管兩大類：普通二極管整流、濾波、限幅、鉗位、檢波及開關(guān)等。特殊二極管變?nèi)荻O管發(fā)光二極管光電二極管二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓光電轉(zhuǎn)換調(diào)諧ISuiUR二極管是一種非線性元件，其特性就是PN結(jié)的特性，而電流iD與兩端的電壓uD的關(guān)系近似為：2.二極管的伏安特性及參數(shù)普通二極管是應(yīng)用PN結(jié)的飽和區(qū)、死區(qū)和導(dǎo)通區(qū)的特性制成的二端元件。（1）伏安關(guān)系（2）理想二極管IS—反向飽和電流；VT—溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)常溫（T=300K）時，VT=26mV。在正常工作范圍內(nèi)，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)大于二極管正向?qū)▔航禃r，可將二極管當(dāng)作理想二極管處理，其伏安特性如圖示。忽略正向?qū)▔航岛碗娮?，二極管相當(dāng)短路；二極管反向截止時忽略反向飽和電流，反向電阻無窮大，二極管相當(dāng)于開路。kaVD（3）二極管的主要參數(shù)1）最大整流電流IF

2）最高反向工作電壓UR

3）最大反向電流IRM

IFIRMuiUR最大整流電流又稱為額定正向平均電流，是指二極管長時間使用時，允許通過的最大正向平均電流。最大反向電流是指二極管加上最高反向工作電壓時的反向電流值。最高反向工作電壓是指保證二極管不被擊穿所允許施加的最高反向電壓。一般規(guī)定為1/2—2/3的反向擊穿電壓。UBR1.5.3穩(wěn)壓二極管（齊納二極管）穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用PN結(jié)的擊穿特性的二端元件。它在電路中與適當(dāng)阻值的電阻配合能起穩(wěn)定電壓的作用。其電路符號為：1.穩(wěn)壓原理UZΔIZuikaVSΔUZ反向擊穿后，電流在很大范圍內(nèi)變化，管子兩端的電壓變化很小，因此具有穩(wěn)壓特性。2.主要參數(shù)1）穩(wěn)定電壓Uz穩(wěn)壓管正常工作時管子兩端的電壓。手冊中給出的數(shù)值范圍是表示由于工藝和其它原因造成的分散性，如10～12V，對具體的管子為一確定值。IZmax2）電壓溫度系數(shù)αU3）動態(tài)電阻rZ穩(wěn)壓管電壓的變化量與電流變化量的比值。4）穩(wěn)定電流IZ和最大穩(wěn)定電流IZmax穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電流值，與具體工作狀態(tài)有關(guān)，而最大穩(wěn)定電流是確定值。實際工作時不得超過IZmax。5）最大允許耗散功率PZM管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。PZM=UZIZmax穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。低于6V的穩(wěn)壓管，電壓溫度系數(shù)為負(fù)；高于6V的穩(wěn)壓管，電壓溫度系數(shù)為正；而6V左右的管子穩(wěn)壓值受溫度變化影響的比較小。1.8半導(dǎo)體光電器件當(dāng)前，在信號傳輸和存儲的新技術(shù)是有效應(yīng)用光信號，如光通信、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、聲像演唱機(jī)用的CD或VCD，計算機(jī)的CD—ROM等光電子系統(tǒng)。這種光信號和電信號的接口需要一些特殊的器件，即半導(dǎo)體光電器件。采用不同材料、工藝和結(jié)構(gòu)制造的，用于光、電能量或信號轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體電子器件統(tǒng)稱為半導(dǎo)體光電器件。這類器件種類很多，如發(fā)光二極管、激光二極管、光電二極管、光電三極管、光耦合器等。1.8.1光敏二極管1.結(jié)構(gòu)及原理2.技術(shù)參數(shù)光敏二極管俗稱光電二極管，是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的受光器件。其圖形符號為：光電二極管的基本結(jié)構(gòu)是一個PN結(jié)，它的管殼上設(shè)置有一個光線入射的玻璃窗口。光電二極管工作在PN結(jié)的反向特性。光學(xué)參數(shù)主要包括：光譜范圍、靈敏度和峰值波長λp。電學(xué)參數(shù)主要包括：暗電流、光電流和最高工作電壓等。在無光照射時，反向電流很小，此電流稱暗電流。當(dāng)有光照射時，由于PN結(jié)的光敏特性，產(chǎn)生光生載流子，在反向電壓的作用下，光生載流子參與導(dǎo)電，形成比無光照射時大得多的反向電流，此電流稱光電流。光電流與光照強(qiáng)度成正比，當(dāng)外電路接上負(fù)載時，便可獲得隨光照強(qiáng)弱變化的電信號，于是實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。AK1.8.3發(fā)光二極管1.原理及結(jié)構(gòu)2.技術(shù)參數(shù)發(fā)光二極管是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的發(fā)光器件，簡稱LED，其圖形符號為：LED的基本結(jié)構(gòu)是一個PN結(jié)。當(dāng)管子施加正向電壓時，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)，它們在空間電荷區(qū)復(fù)合時放出能量，并大部分轉(zhuǎn)換成光能。光電器件的參數(shù)分為電學(xué)和光學(xué)參數(shù)兩類。光學(xué)參數(shù)主要包括：峰值波長λp、發(fā)光強(qiáng)度L

電學(xué)參數(shù)主要包括：正向電壓、正向電流和極限工作電流、反向電流、擊穿電壓等。AKLED能夠發(fā)光，是由于它采用的半導(dǎo)體材料和摻雜濃度與普通二極管有所不同，通常采用砷化鎵、磷化鎵等化合物半導(dǎo)體，其摻雜濃度較高。發(fā)光二極管廣泛用于信號顯示和傳輸。它單個作成矩形、圓形用，也可多個組成某種形狀，如七段數(shù)碼管。共陰極連接gabcdef共陽極連接3.應(yīng)用gabcdefgabcdef光電傳輸系統(tǒng)1簡單電路的圖解分析方法二極管是非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單。因此在已知二極管特性曲線時，可以采用圖解法來對電路進(jìn)行分析。二極管電路的分析方法[例1]電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)2二極管電路的簡化模型分析方法1）二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型2二極管電路的簡化模型分析方法1）二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型2二極管電路的簡化模型分析方法2）模型分析法應(yīng)用舉例：（a）電路圖（b）vs和vo的波形（1）整流電路2）模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）當(dāng)VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V時？（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法2）模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。2）模型分析法應(yīng)用舉例（4）開關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)為0V。則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。本節(jié)小結(jié)主要知識點(diǎn)：1.掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，了解各種二極管的表示符號、工作原理及主要參數(shù)2.掌握二極管的圖解法和簡化模型分析方法作業(yè)1.12-1.15歷屆考題填空題1.在N型半導(dǎo)體中

是多數(shù)載流子，

是少數(shù)載流子。3.穩(wěn)壓二極管是利用

特性實現(xiàn)穩(wěn)壓的。自由電子PN結(jié)反向擊穿空穴2.在P型半導(dǎo)體中

是多數(shù)載流子，

是少數(shù)載流子。自由電子空穴歷屆考題選擇題1、P型半導(dǎo)體（）。（a）多子是自由電子，帶負(fù)電（b）多子是空穴，帶正電（c）少子是自由電子，不帶電（d）少子是空穴，帶負(fù)電cc2、N型半導(dǎo)體（）。（a）多子是自由電子，帶負(fù)電（b）多子是空穴，帶正電（c）少子是空穴，不帶電（d）少子是空穴，帶正電3、電路如圖所示，設(shè)DZ1的穩(wěn)定電壓為6V，DZ2的穩(wěn)定電壓為12V，設(shè)穩(wěn)壓管的正向壓降為0.7V，則輸出電壓UO等于（）。(a)18V(b)6.7V(c)30V(d)12.7V

b歷屆考題選擇題4、圖示電路，二極管D為理想元件，U=3V，Ui=6sinwtV，則輸出電壓uO波形為（）。b歷屆考題計算