第2章 半導(dǎo)體二極管

第2章半導(dǎo)體二極管2/5/2023本章基本要求了解半導(dǎo)體的基本知識(shí)熟悉二極管(PN結(jié))的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)掌握二極管的特點(diǎn)、伏安特性、應(yīng)用電路及其分析方法。2/5/20232.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)與PN結(jié)

2.1.1半導(dǎo)體及其特性

一般金屬電阻率為10-9～10-6Ω·cm，絕緣體的電阻率為1010～1020Ω·cm，半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109Ω·cm。由于半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，故稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體具有以下特性：（1）熱敏特性（2）光敏特性（3）雜敏特性

2/5/20232.1.2本征半導(dǎo)體

具有晶體結(jié)構(gòu)的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。晶體通常具有規(guī)則的幾何形狀，在空間中按點(diǎn)陣（晶格）排列。最常用的半導(dǎo)體材料為硅（Si）和鍺（Se）。

2/5/2023共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

在硅或鍺的本征半導(dǎo)體中，由于原子排列的整齊和緊密，原來(lái)屬于某個(gè)原子的價(jià)電子，可以和相鄰原子所共有，形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。圖2-2所示為硅和鍺共價(jià)鍵的(平面)示意圖。價(jià)電子共價(jià)鍵空穴自由電子2/5/2023熱激發(fā)、載流子

在溫度升高或者外界供給能量下最外層電子容易獲得能量掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，這種現(xiàn)象稱為熱激發(fā)，如圖2-3所示。共價(jià)鍵失去電子后留下的空位稱為空穴，顯然具有空穴的原子帶正電。本征半導(dǎo)體產(chǎn)生熱激發(fā)時(shí)，電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)。

自由電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)填補(bǔ)空穴，這種現(xiàn)象成為復(fù)合。在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)又不斷復(fù)合，故在一定溫度下，載流子的熱激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，載流子的數(shù)目維持在一定的數(shù)目。新空穴復(fù)合2/5/20232.1.3N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

為了提高其導(dǎo)電能力，應(yīng)增加載流子的數(shù)目，在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其他元素（稱為摻雜），形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。若摻入微量的5價(jià)元素（如磷、砷、銻等），可大大提高自由電子濃度，這種雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體；若摻入微量的3價(jià)元素（如硼），則可增加空穴數(shù)目，這種雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。

磷原子未形成共價(jià)鍵的電子2/5/20232．P型半導(dǎo)體

如果在硅或鍺的本征半導(dǎo)體中摻入微量的3價(jià)硼（B）元素，則形成P型半導(dǎo)體。如圖2-6所示。由于硼原子核外有3個(gè)價(jià)電子，故只能和相鄰的硅或鍺的形成3個(gè)共價(jià)鍵，而第4個(gè)共價(jià)鍵中由于缺少一個(gè)電子形成空。P型半導(dǎo)體中，空穴的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子，故P型半導(dǎo)體也稱為空穴半導(dǎo)體，硼原子也稱為受主雜質(zhì)。硼原子未形成共價(jià)鍵的空穴2/5/20232.1.4PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

2.1.4.1PN結(jié)的形成

利用特殊的制造工藝，在一塊本征半導(dǎo)體（硅或鍺）上，一邊摻雜成N型半導(dǎo)體，一邊形成P型半導(dǎo)體，這樣在兩種半導(dǎo)體的交界面就會(huì)形成一個(gè)空間電荷區(qū)，即PN結(jié)。

2/5/2023PN結(jié)外加電壓時(shí)

1．PN結(jié)外加正向電壓

如圖2-9所示電路圖，P區(qū)接電源的正極、N區(qū)接電源的負(fù)極?？臻g電荷區(qū)變窄，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流，其方向是由P區(qū)流向N區(qū)，隨著外加電壓的增大正向電流也增大，稱之為PN結(jié)的正向?qū)?。正向電流包括兩部分：空穴電流和自由電子電流。雖然兩種不同極性的電荷運(yùn)動(dòng)方向相反，但所形成的電流方向是一致的。2/5/20232．PN結(jié)外加反向電壓

PN結(jié)外加反向電壓，即P區(qū)接電源的負(fù)極、N區(qū)接電源的正極，如圖2-10所示。外電場(chǎng)使得P區(qū)的空穴和N區(qū)的自由電子從空間電荷區(qū)邊緣移開，使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，不利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散，而有利于少數(shù)載流子的漂移形成反向電流，其方向是由N區(qū)流向P區(qū)。由于少數(shù)載流子是由于價(jià)電子獲得能量掙脫共價(jià)鍵的束縛而產(chǎn)生的，數(shù)量很少，故形成的電流也很小，此時(shí)PN反向截止，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。2/5/20232.2半導(dǎo)體二極管

2.2.1二極管的結(jié)構(gòu)、類型及符號(hào)將一個(gè)PN結(jié)封裝起來(lái)，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成半導(dǎo)體二極管，也稱晶體二極管。其電路中的表示符號(hào)如圖2-11a所示，二極管的外形如圖2-11b所示。2/5/2023二極管的結(jié)構(gòu)示意圖點(diǎn)接觸型面接觸型平面型2/5/20232.2.2.1二極管的伏安特性

二極管的伏安特性就是二極管流過(guò)的電流i和兩端電壓u之間的關(guān)系。1．正向特性

當(dāng)正向電壓足夠大，超過(guò)開啟電壓后，內(nèi)電場(chǎng)的作用被大大削弱，電流很快增加，二極管正向?qū)?，此時(shí)硅二極管的正向?qū)▔航翟?.6~0.8V，典型值取0.7V；鍺二極管的正向?qū)▔航翟?.1~0.3V，典型值取0.2V。

（2－1）2/5/20232．反向特性

二極管的反向特性對(duì)應(yīng)圖2-13曲線的（2）段，此時(shí)二極管加反向電壓，陽(yáng)極電位低于陰極電位。

在二極管兩端加反向電壓時(shí)，其外加電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，當(dāng)反向電壓小于反向擊穿電壓時(shí)，由圖中可以看出，反向電流基本恒定，而且電流幾乎為零，這是由少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成的反向飽和電流。硅管的反向電流要比鍺管小得多，小功率硅管的反向飽和電流一般小于0.1μA，鍺管約為幾個(gè)微安。

3．擊穿特性

當(dāng)二極管反向電壓過(guò)高超過(guò)反向擊穿電壓時(shí)，二極管的反向電流急劇增加，對(duì)應(yīng)圖2-13圖中的（3）段。由于這一段電流大、電壓高，所以PN結(jié)消耗的功率很大，容易使PN結(jié)過(guò)熱燒壞，一般二極管的反向電壓在幾十伏以上。2/5/20232.2.2.2主要性能參數(shù)

1．額定整流電流IF

2．最高反向工作電壓URM

3．反向飽和漏電流和最大反向電流IRM

4．直流電阻RD2/5/20235．交流電阻

6．最高工作頻率

二極管最高工作頻率為是指二極管正常工作時(shí)，允許通過(guò)交流信號(hào)的最高頻率。

7．反向恢復(fù)時(shí)間

指二極管由導(dǎo)通突然反向時(shí)，反向電流由很大衰減到接近IS時(shí)所需要的時(shí)間。大功率開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，反向恢復(fù)時(shí)間是二極管的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

2/5/20232.2.3二極管的等效模型及其應(yīng)用

1.小信號(hào)模型

二極管外加微小變化的信號(hào)二極管的電壓和電流將在其伏安特性曲線上Q點(diǎn)附近變化，且變化范圍較小，可近似認(rèn)為是在特性曲線的線性范圍之內(nèi)變化，于是用過(guò)Q點(diǎn)的切線代替微小變化的曲線，如圖2-16a中Q點(diǎn)附近的小直角三角形所示，并由此將工作在低頻小信號(hào)時(shí)的二極管等效成一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻。，同時(shí)用圖2-16a中的2/5/20232.大信號(hào)模型

二極管在許多情況下都是工作在大信號(hào)條件下(如整流二極管、開關(guān)二極管等)。在大信號(hào)條件下，根據(jù)不同的精度要求，二極管可以用折線模型、恒壓模型和理想模型來(lái)表示。2/5/2023(1)折線模型

當(dāng)時(shí)二極管才導(dǎo)通，且電流與成線性關(guān)系，直線的斜率為，其中，當(dāng)時(shí)二極管截止，電流為零。

(2)恒壓降模型

圖2-16c為二極管的折線模型。當(dāng)二極管的正向?qū)▔航蹬c外加電壓相比不能忽略時(shí)，二極管正向?qū)煽闯墒呛銐涸矗ü韫艿湫椭禐?.7V，鍺管典型值為0.2V），且不隨電流變化而變化；截止時(shí)反向電流為零，做開路處理。

(3)理想模型

圖2-16d為二極管的理想模型。在二極管的工作電壓幅度較大時(shí)，認(rèn)為可以忽略二極管的正向?qū)▔航岛头聪蝻柡碗娏鳎凑珪r(shí)二極管導(dǎo)通電壓為零，相當(dāng)于開關(guān)閉合；反偏壓時(shí)二極管截止電流為零，相當(dāng)于開關(guān)斷開。

2/5/20232.3特殊半導(dǎo)體二極管

2.3.1穩(wěn)壓管及其應(yīng)用

穩(wěn)壓管是一種由特殊工藝制成的點(diǎn)接觸型硅二極管，與普通二極管相比，其正向特性相似，而反向特性比較陡，其表示符號(hào)與伏安特性如圖2-17所示。穩(wěn)壓管工作時(shí)是在反向擊穿區(qū)，并且在一定電流范圍內(nèi)（△IZ），穩(wěn)壓管不會(huì)損壞。由于穩(wěn)壓管的擊穿是齊納擊穿，故穩(wěn)壓管也稱為齊納二極管。2/5/2023穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

1）穩(wěn)定電壓UZ

2）穩(wěn)定電流IZ

3）最大穩(wěn)定電流IZM

4）最大允許耗散功率PZM

5）動(dòng)態(tài)電阻rZ

6）電壓溫度系數(shù)2/5/2023穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路在負(fù)載變化不大的場(chǎng)合，穩(wěn)壓管常用來(lái)做穩(wěn)壓電源，由于負(fù)載和穩(wěn)壓管并聯(lián)，又稱為并聯(lián)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管在實(shí)際工作時(shí)要和電阻相配合使用，其電路如圖2-18所示。

2/5/20232.3.2半導(dǎo)體光電器件

1．發(fā)光二極管

發(fā)光二極管也叫LED，它是由砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷砷化鎵（GaAsP）等半導(dǎo)體制成的，因此不僅具有一般PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕以谝欢l件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。故發(fā)光二極管工作時(shí)要加正向電壓。

2/5/2023（a）外形圖2-19發(fā)光二極管的外形和符號(hào)（c）應(yīng)用電路（b）電路符號(hào)2/5/20232.3.3光電二極管

光電二極管VD（也叫光敏二極管）是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。它的核心部分也是一個(gè)PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，在光電二極管的管殼上有一個(gè)能射入光線的窗口，窗口上鑲著玻璃透鏡，光線可通過(guò)透鏡照射到管芯，而且PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1μm，這主要是為了提高光的轉(zhuǎn)換效率。其外形和符號(hào)分別如圖2-20a、b所示。

2/5/20232/5/20232.3.4變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管VCD（Variable－CapacitanceDiode）是利用外加反向電壓改變二極管結(jié)電容容量的特殊二極管，與普通二極管相比，其結(jié)電容變化范圍較大。電路符號(hào)和等效如圖2-21所示，圖2-21a所示為變?nèi)荻O管符號(hào)，圖2-21b所示為變?nèi)荻O管的等效電路，其中R為半導(dǎo)體材料的等效電阻，電容C為變?nèi)荻O管的等效結(jié)電容，其容量與加到變?nèi)荻O管的反向電壓有關(guān)，圖2-21c所示為變?nèi)荻O管的電容壓控特性，是時(shí)變?nèi)荻O管的電容量。2/5/20232/5/20232.3.5快速二極管

快速二極管的工作原理與普通二極管是相同的，但由于普通二極管工作在開關(guān)狀態(tài)下的反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，約4～5ms，不能適應(yīng)高頻開關(guān)電路的要求?？焖俣O管主要應(yīng)用于高頻整流電路、高頻開關(guān)電源、高頻阻容吸收電路、逆變電路等，其反向恢復(fù)時(shí)間可達(dá)10ns。決定快速恢復(fù)二極管性能的重要參數(shù)之一是反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間的定義是，二極管從正向?qū)顟B(tài)急劇轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)，從輸出脈沖下降到零線開始，到反向電源恢復(fù)到最大反向電流的10％所需要的時(shí)間，常用符號(hào)表示。普通快速恢復(fù)整流二極管的為幾百納秒（ｓ），超快速恢復(fù)二極管的一般為幾十納秒，(超快速二極管的反向時(shí)間定義為小于100ns