第五半導體二極管及其應用電路

第五半導體二極管及其應用電路第一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第五章半導體二極管及其應用電路5.1半導體的基本知識5.2

半導體二極管5.3

單向整流濾波電路5.4

穩(wěn)壓二極管及其穩(wěn)壓電路第二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。5.1半導體的基本知識第三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一半導體的導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：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯改變。第四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一本征半導體本征半導體的結(jié)構特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體?，F(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。第五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一本征半導體：完全純凈的、結(jié)構完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構：第六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一硅和鍺的共價鍵結(jié)構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子第七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結(jié)構。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4第八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。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。1.載流子、自由電子和空穴第九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一在本征半導體中不斷地進行著激發(fā)與復合兩種相反的過程，當溫度一定時，兩種狀態(tài)達到動態(tài)平衡，即本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對，與復合的電子-空穴對數(shù)目相等，這種狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)。由于本征半導體在室溫下每產(chǎn)生一個自由電子必然會有一個空穴出現(xiàn)，即電子與空穴成對產(chǎn)生，稱之為電子-空穴對。熱平衡載流子的濃度第十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一2.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。第十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一

溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動產(chǎn)生的電流。第十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。第十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。第十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導體中的載流子是什么？1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。第十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導體中空穴是多子，電子是少子。第十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一雜質(zhì)半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體雜質(zhì)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。第十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一PN結(jié)的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。1.2PN結(jié)及半導體二極管半導體器件的核心是PN結(jié)。半導體二極管是單個PN結(jié)；半導體三極管具有兩個PN結(jié)；場效應管的基本結(jié)構也是PN結(jié)。第十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。第二十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第二十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0第二十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴.N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3.P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:第二十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：

P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。第二十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一－－－－++++RE一、PN結(jié)正向偏置內(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。第二十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二、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。RE第二十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一PN結(jié)的溫度特性實驗證明，在室溫下，溫度每升高1℃，在同一正向電流下，PN結(jié)正向壓降減小2－2.5mV；溫度每升高10℃，反向飽和電流大約增加1倍。所以當溫度升高時，少數(shù)載流子的數(shù)目增多，反向飽和電流隨之增大。PN結(jié)的正向特性曲線向左移動，反向特性曲線向下移動。第二十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一當PN結(jié)外加反向電壓時，流過PN結(jié)的反向電流很小，但當反向電壓不斷增大，超過某一電壓值時，反向電流將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。反向電流急劇增加時所對應的反向電壓U(BR)稱為反向擊穿電壓。PN結(jié)的擊穿特性

PN結(jié)產(chǎn)生反向擊穿有兩種類型：雪崩擊穿和齊納擊穿。第二十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一在摻雜濃度較低的PN結(jié)中，隨著反向電壓逐漸增大，空間電荷區(qū)（即阻擋層）變寬，內(nèi)電場加強，使參加漂移運動的載流子加速，動能加大。當反向電壓增大到一定數(shù)值時，載流子獲得的動能足以把束縛在共價鍵中的價電子碰撞出來，產(chǎn)生電子-空穴對。新產(chǎn)生的載流子被電場加速后，又碰撞其它中性原子，又產(chǎn)生新的電子-空穴對。如此連鎖反應，造成載流子急劇增多，使反向電流“滾雪球”般地驟增，通常將這種反向擊穿稱為雪崩擊穿。雪崩擊穿雪崩擊穿的擊穿電壓較高，其值隨摻雜濃度的降低而增大。第二十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一當PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高時，阻擋層將變得很薄。這時只要加上不大的反向電壓（如4V以下），阻擋層就可能獲得2×106V/cm以上的電場強度，該場強足以直接破壞共價鍵，把價電子從共價鍵中拉出來，從而獲得大量的電子-空穴對，引起PN結(jié)中的反向電流急劇增大，這種反向擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿。齊納擊穿齊納擊穿的反向擊穿電壓較低，且隨著摻雜濃度的增高而減小。第三十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一通常情況下，反向擊穿電壓在7V以上屬于雪崩擊穿，4V以下屬于齊納擊穿，在4－7V之間的擊穿則兩種情況都有。無論哪種擊穿，只要PN結(jié)不因電流過大而產(chǎn)生過熱損壞，當反向電壓降到擊穿電壓以下（均指絕對值）時，其性能又可恢復到擊穿前的情況。當擊穿電流超過一定的范圍，使PN結(jié)上的耗散功率超過其額定耗散功率時，PN結(jié)將會燒毀，這種現(xiàn)象稱為熱擊穿。第三十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一當PN結(jié)正偏時，PN結(jié)導通，電阻很小；當PN結(jié)反偏時，PN結(jié)截至，電阻較大，PN結(jié)表現(xiàn)出非線性電阻特性。PN結(jié)的電阻特性熱擊穿前發(fā)生的擊穿稱為電擊穿，齊納擊穿和雪崩擊穿都屬于電擊穿。電擊穿是可逆的，但熱擊穿是不可逆的。第三十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二極管的電容特性二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P

區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容CD。P+-N第三十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一PN結(jié)的結(jié)電容Cj為勢壘電容Cb和擴散電容Cd之和，即當PN結(jié)正向偏置時，PN結(jié)結(jié)電容以擴散電容為主，Cj≈Cd，其值為幾十皮法到幾千皮法；當PN結(jié)反向偏置時，PN結(jié)結(jié)電容以勢壘電容為主，Cj≈Cb，其值為幾皮法到幾十皮法。第三十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一當PN結(jié)反偏時，結(jié)電阻較大，PN結(jié)本應不導通；若作用于PN結(jié)的交變電壓頻率高到一定程度，使：PN結(jié)的高頻等效電路及最高工作頻率PN結(jié)高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd則PN結(jié)即使反偏也導通，即單向?qū)щ娦员黄茐摹５谌屙?，共六十七頁，編輯?023年，星期一5.2半導體二極管基本結(jié)構PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號：第三十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一半導體二極管實物圖片第三十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第三十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第三十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一UI導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V伏安特性第四十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第四十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一主要參數(shù)1.正向特性與最大整流電流IFM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向特性與反向電流IR二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。第四十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一3.反向擊穿特性與最大工作電壓URM以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要應用于整流、限幅、保護等等。二極管反向擊穿時的電壓值稱為擊穿電壓。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。手冊上給出的最高反向工作電壓URM一般是UBR的一半：第四十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一半導體二極管的等效電路1.理想二極管等效電路理想模型(a)U-I特性；(b)代表符號第四十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一2.考慮正向壓降的等效電路考慮正向壓降模型(a)U-I特性；(b)代表符號二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)

理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0

第四十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一5.3單相整流濾波電路單相半波整流電路二極管導通，忽略二極管正向壓降，

uo=u2u1u2aTbDRLuo為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。二極管截止,uo=0+–io+–u2>0時:u2<0時:第四十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一單相半波整流電壓波形：u1u2aTbDRLuouDu2uouDt2340第四十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一輸出電壓平均值（Uo）,輸出電流平均值（Io)：()ò=pwp2021tduUoo=()òpwp

021tdsinwt22U=p2245.02UU=u1u2aTbDRLuouDioIo=Uo/RL=0.45U2/RL

uo20t第四十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二極管上的平均電流及承受的最高反向電壓：u1u2aTbDRLuouDiouD20tUDRM二極管上的平均電流：ID>IOURM>22U承受的最高反向電壓:第四十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一單相橋式整流電路u1u2TD3D2D1D4RLuo組成：由四個二極管組成橋路u2uo第五十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一+–u1u2TD4D2D1D3RLuou2正半周時電流通路D1

、D3導通，D2、D4截止第五十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負半周時電流通路D2、D4

導通，D1

、D3截止第五十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一u2>0時D1,D3導通D2,D4截止電流通路:a

D1RLD3bu2<0時D2,D4導通D1,D3截止電流通路:bD2RLD4a單相橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形u2D4D2D1D3RLuoab整流輸出電壓平均值：

Uo=0.9U2負載電流平均值:Io=Uo/RL=0.9U2/RL

二極管平均電流：ID=Io/2二極管最大反向電壓：DRM22UU=u2uD2,uD3uD1,uD4uo第五十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一幾種常見的硅整流橋外形：+AC-~+~-

~+-~u2uo+

–

第五十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一濾波電路濾波電路的結(jié)構特點:

電容與負載RL并聯(lián)，或電感與負載RL串聯(lián)。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓RLLRLC第五十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一電容濾波電路以單向橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖所示。電容濾波原理a橋式整流電容濾波電路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC第五十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一RL接入（且RLC較大）時(忽略整流電路內(nèi)阻)u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot無濾波電容時的波形加入濾波電容時的波形第五十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一為了得到較好的濾波效果，C應滿足：(T:電源電壓的周期)優(yōu)點：電路簡單、負載直流電壓較高、紋波較小。缺點：輸出特性較差且存在浪涌電流，故適用于負載電壓較高、負載變動不大的場合。電容濾波：第五十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一電感濾波電路電路結(jié)構:

在橋式整流電路與負載間串入一電感L就構成了電感濾波電路。u2u1RLLuo第五十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期