半導(dǎo)體及其二極管

項目5半導(dǎo)體及其二極管半導(dǎo)體及其二極管1.本征半導(dǎo)體2.雜質(zhì)半導(dǎo)體3.PN結(jié)及單向?qū)щ娦?.二極管一.本征半導(dǎo)體（1）導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電能力，常見的有銅、鋁等金屬材料。絕緣體：絕緣體基本上不能導(dǎo)電，常見的有玻璃、陶瓷等材料。

如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：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、硒和大多數(shù)氧化物和硫化物等。一.本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：

當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。在純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力大大增強。一.本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi硅原子和鍺原子的結(jié)構(gòu)硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。+4為方便起見，常表示如下：一.本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)圖+4+4+4+4共價鍵共用電子對共價鍵正離子核形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。一.本征半導(dǎo)體定義：完全純凈的、具有單晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。T=0K時本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖：+4+4+4+4在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛其中，不能成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。一.本征半導(dǎo)體溫度升高后，本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖+4+4+4+4自由電子空穴在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。電子空穴對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制E＋－自由電子：帶負電荷，形成電子流兩種載流子空穴：視為帶正電荷，形成空穴流+4+4+4+4自由電子空穴電

子流空穴流二.雜質(zhì)本導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。1.N型半導(dǎo)體——電子半導(dǎo)體磷（P）多數(shù)載流子

空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？N型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子，電子導(dǎo)電是主要的導(dǎo)電方式。1.P型半導(dǎo)體——空穴半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電。想一想半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)后帶電嗎？三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦栽谝粔K單晶體的兩邊摻入不同的雜質(zhì)，使單晶體的兩邊分別形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，其結(jié)合部就是PN結(jié)。擴散運動P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū)。

擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場，不利于擴散運動的繼續(xù)進行。1.PN結(jié)的形成

因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。

參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運動擴散后，P區(qū)一邊留下一些負離子，N區(qū)一邊留下一些正離子，它們形成的電場稱為空間電荷區(qū)，即PN結(jié)。（1）PN結(jié)正向偏置－－－－++++RE內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)（2）PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。REPN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。在于它的耗盡層的存在，且其寬度隨外加電壓而變化。關(guān)鍵這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。四、半?dǎo)體二極管在PN結(jié)上加上引線和外殼，就成為一個二極管。二極管被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中，文字符號用字母“VD”表示。1、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型二極管符號四、半導(dǎo)體二極管特點：PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，不能通過較大的電流，用于檢波和小功率電流的整流。（1）點接觸型二極管二極管按結(jié)構(gòu)分為點接觸型、面接觸型。四、半導(dǎo)體二極管（2）面接觸型二極管特點：PN結(jié)面積大，可通過較大的正向電流，用于中、大功率電流的整流。四、半導(dǎo)體二極管常見二極管外形普通二極管開關(guān)二極管快速整流二極管發(fā)光二極管穩(wěn)壓二極管四、半導(dǎo)體二極管2、二極管的伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR死區(qū)電壓

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。四、半?dǎo)體二極管3、主要參數(shù)（1）最大整流電流IFM二極管長時間通過正向電流時，允許流過二極管的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓UBR和最大反向工作電壓URM

二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。為安全考慮，實際工作時，最高反向工作電壓URM是UBR的一半。（3）最大反向電流IRM最大反向電流指二極管外加最大反向電壓時的反向電流值。反向電流值越小，說明二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶?。五、二極管的應(yīng)用——穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型硅二極管。IZmax+-穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,且工作電流IZ在Izmax和

Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓五、二極管的應(yīng)用——穩(wěn)壓二極管（1）穩(wěn)定電壓UZ（3）動態(tài)電阻（2）最大穩(wěn)定電流Izmax

最小穩(wěn)定電流IzminIZmaxUIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓（4）最大允許功耗五、二極管的應(yīng)用——穩(wěn)壓二極管（2）穩(wěn)壓電路原理當(dāng)輸入電壓或負載變化時，取出誤差信號來調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，起穩(wěn)壓作用。工作時反接，并串入限流電阻R來保證反向電流不超過最大穩(wěn)定電流：或五、二極管的應(yīng)用——整流二極管半波整流電路UiVD1R1Uo整流二極管輸入電壓波形輸出電壓波形UiVD1R1Uo整流二極管輸入電壓波形電路中的VD1是二極管用于整流，所以稱為整流二極管，它是整個電路的核心器件。

Ui是半波整流電路的輸入電壓，是一個正弦交流電壓；Uo是半波整流電路的輸出電壓，是單向脈動直流電壓。整流電路分析方法在分析時要搞清楚整流二極管的導(dǎo)通與截止，導(dǎo)通時輸出電壓，截止時無法輸出電壓。要將交流輸入電壓分成正、負兩個半周進行導(dǎo)通和截止的分析。交流電壓正半周期間半波整流電路UiVD1R1Uo+-等效輸入電壓輸入電壓給VD1正向偏置UiR1VD1Uo整流二極管導(dǎo)通正半周輸出電壓五、二極管的應(yīng)用——整流二極管五、二極管的應(yīng)用——整流二極管交流電壓負半周期間半波整流電路工作示意圖半波整流電路輸入和輸出電壓波形圖輸入電壓只有正半周部分R1UiVD1Uo等效負半周期間電壓為零UiVD1R1Uo負半周輸入電壓截止二極管相當(dāng)于開路輸出電壓五、二極管的應(yīng)用——整流二極管橋式整流

單相橋式整流電路由電源變壓器和四個同型號的二極管接成電橋形式組成，充分利用了交流電的正負兩個周期。五、二極管的應(yīng)用——整流二極管

1.整流工作過程