《電工電子技術》課件第7章

第7章半導體二極管及其應用7.1半導體的基本知識7.2半導體二極管7.3二極管的應用小結習題

7.1半導體的基本知識

7.1.1本征半導體與雜質半導體

1．本征半導體

完全純凈的、具有完整晶體結構的半導體，稱為本征半導體。

硅或鍺是四價元素，其最外層原子軌道上有四個價電子。在本征半導體的晶體結構中，相鄰兩個原子的價電子相互共有(即每個原子的四個價電子既受自身原子核的束縛，又為相鄰的四個原子所共有)，每兩個相鄰原子之間都共有一對價電子。這種組合方式稱為共價鍵結構。圖7-1為單晶硅共價鍵結構的平面示意圖。圖7-1單晶硅中的共價鍵結構在共價鍵結構中，每個原子的最外層雖然具有八個電子而處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但是共價鍵中的價電子并不像絕緣體中的電子那樣被束縛得很緊，在室溫下，有極少數價電子由于熱運動能獲得足夠的能量而脫離共價鍵束縛成為自由電子。

在一部分價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子后，共價鍵中就留下了相應的空位，這個空位被稱為空穴。原子因失去一個價電子而帶正電，也可以說空穴帶正電。在本征半導體中，電子與空穴總是成對出現的，它們被稱為電子空穴對，如圖7-2所示。圖7-2電子空穴對的形成

2.雜質半導體

1)N型半導體

若在純凈的硅晶體中摻入微量的五價元素(如磷)，則硅原子占有的某些位置會被摻入的微量元素(如磷)原子所取代，而整個晶體結構基本不變。磷原子與硅原子組成共價鍵結構只需四個價電子，而磷原子的最外層有五個價電子，多余的那個價電子不受共價鍵束縛，只需獲得很少的能量就能成為自由電子。由此可見，摻入一個五價元素的原子，就能提供一個自由電子。必須注意的是，產生自由電子的同時并沒有產生空穴，但由于熱運動原有的晶體仍會產生少量的電子空穴對。所以，只要在本征半導體中摻入微量的五價元素，就可以得到大量的自由電子，且自由電子數目遠比摻雜前的電子空穴對數目要多得多。以自由電子導電為主要導電方式的雜質半導體稱為電子型半導體，簡稱N型半導體。N型半導體中存在著大量的自由電子，這就提高了電子與空穴的復合機會，相同溫度下空穴的數目比摻雜前要少。所以，在N型半導體中，電子是多數載流子(簡稱多子)，空穴是少數載流子(簡稱少子)，如圖7-3(a)所示。N型半導體主要靠自由電子導電，摻入的雜質濃度越高，自由電子數目越大，導電能力也就越強。在N型半導體中，一個雜質原子提供一個自由電子，當雜質原子失去一個電子后，就變?yōu)楣潭ㄔ诰Ц裰胁荒芤苿拥恼x子，但它不是載流子。因此，N型半導體就可用正離子和與之數量相等的自由電子表示，如圖7-3(b)所示。其中也有少量由熱激發(fā)產生的電子空穴對。圖7-3單晶硅中摻五價元素形成N型半導體

2)P型半導體

若在純凈的硅(或鍺)晶體內摻入微量的三價元素硼(或銦)，則因硼原子的最外層有三個價電子，當它與周圍的硅原子組成共價鍵結構時，會因缺少一個電子而在晶體中產生一個空穴。摻入多少三價元素的雜質原子，就會產生多少空穴。因此，這種半導體將以空穴導電為其主要導電方式，稱為空穴型半導體，簡稱P型半導體。所以，P型半導體是空穴為多子、電子為少子的雜質半導體，如圖7-4(a)所示。必須注意的是，產生空穴的同時并沒有產生新的自由電子，但原有的晶體仍會產生少量的電子空穴對。圖7-4單晶硅中摻三價元素形成P型半導體

P型半導體中，一個三價元素的雜質原子產生一個空穴，雜質原子產生的空穴很容易被相鄰共價鍵中的電子填補，這樣雜質原子就會因獲得一個電子而帶負電荷，成為帶有負電荷的雜質離子。因此，P型半導體可以用帶有負電荷而不能運動的雜質離子和與之數量相等的空穴表示。其中有少量由熱激發(fā)產生的電子空穴對，如圖7-4(b)所示。P型半導體主要靠空穴導電，摻入的雜質濃度越高，空穴數目越大，導電能力也就越強。7.1.2

PN結

1．PN結的形成

在一塊硅或鍺的晶片上，采取不同的摻雜工藝，分別形成N型半導體區(qū)和P型半導體區(qū)。N區(qū)的多數載流子為電子(即電子濃度高)，少子為空穴(即空穴濃度低)，而P區(qū)正相反，多數載流子為空穴(即空穴濃度高)，少子為電子(即電子濃度低)。在P區(qū)與N區(qū)的交界面兩側，由于濃度的差別，空穴要從濃度高的P區(qū)向濃度低的N區(qū)擴散，N區(qū)的自由電子要向P區(qū)擴散。由于濃度的差別而引起的運動稱為擴散運動。這樣，在P區(qū)就留下了一些帶負電荷的雜質離子，在N區(qū)就留下了一些帶正電荷的雜質離子，從而形成一個空間電荷區(qū)。這個空間電荷區(qū)就是PN結。在空間電荷區(qū)內，只有不能移動的雜質離子，而沒有載流子，所以空間電荷區(qū)具有很高的電阻率，如圖7-5所示。圖7-5

PN結的形成空間電荷區(qū)形成了一個從帶正電荷的N區(qū)指向帶負電荷的P區(qū)的電場，稱為內電場。顯然，不論是P區(qū)的多子空穴，還是N區(qū)的多子電子，在擴散過程中通過空間電荷區(qū)時，都要受到內電場的阻力。內電場阻止多數載流子的繼續(xù)擴散。因此，隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)將不斷變寬，內電場將不斷加強，擴散運動將不斷減弱。另一方面，由于內電場的存在，使少子產生漂移運動(少數載流子在內電場作用下產生的定向運動稱為漂移運動)，即P區(qū)少數載流子電子向N區(qū)漂移，N區(qū)少數載流子空穴向P區(qū)漂移。不論是P區(qū)的少子電子，還是N區(qū)的少子空穴，在內電場作用下向對方漂移的結果，都會導致空間電荷區(qū)變窄，內電場削弱。

2．PN結的單向導電性

若在PN結兩端外加電壓，則將會破壞PN結原有的平衡。如圖7-6(a)所示，P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，由于外電場的方向與內電場的方向相反，因此在外電場的作用下，P區(qū)的空穴要向N區(qū)移動，與一部分雜質負離子中和，同樣，N區(qū)的電子也要向P區(qū)移動，與一部分雜質正離子中和，結果使空間電荷區(qū)變窄，內電場被削弱，有利于多數載流子的擴散運動，形成較大的正向電流。在一定范圍內，外加電壓越高，外電場越強，空間電荷區(qū)就越窄，擴散運動所形成的正向電流也就越大。因此，加正向電壓時，PN結呈低電阻而處于導通狀態(tài)?？昭ㄅc電子雖然帶有不同極性的電荷，但由于它們運動的方向相反，因此形成的電流方向是一致的。PN結的正向電流為空穴電流和電子電流兩部分之和。PN結的電流方向為由P區(qū)指向N區(qū)。若外接電壓方向相反，如圖7-6(b)所示，N區(qū)接電源正極，P區(qū)接電源負極，則外電場方向與內電場方向一致。外電場加強了內電場，結果阻止了多子的擴散，有利于少子的漂移運動，使空間電荷增加，空間電荷區(qū)變寬。P區(qū)的少子電子和N區(qū)的少子空穴都會向對方漂移而形成反向電流(由N區(qū)指向P區(qū))。因為少數載流子的數量很少，所以反向電流一般很小，但由于少數載流子的數目受溫度的影響很大，因此溫度越高，少數載流子的數目就越多，反向電流就會相應增大。因此，在PN結外加反向電壓時，PN結呈高阻狀態(tài)而處于反向截止。圖7-6

PN結加正向電壓與加反向電壓7.1.3半導體的電阻率

與導體的電阻率相比，半導體的電阻率有以下特點。

1．對溫度反映靈敏(熱敏性)

導體的電阻率隨溫度的升高略有升高，如銅的電阻率僅增加0.4%左右，但半導體的電阻率則隨溫度的上升而急劇下降，如純鍺在溫度從20℃上升到30℃時，其電阻率降低為原來的一半左右。

2．光照可以改變電阻率(光敏性)

有些半導體(如硫化鎘)受到光照時，其導電能力會變得很強，當無光照時，又變得很弱，利用這種特性可以制成光敏元件。金屬的電阻率不受光照的影響。

3．雜質的影響顯著(摻雜性)

金屬中含有少量雜質，其電阻率不會發(fā)生顯著變化，但是，極微量的雜質摻在半導體中，會引起電阻率的極大變化。例如，在純硅中加入1%的硼，就可以使硅的電阻率從2.3×105Ω·cm急劇減小到0.4Ω·cm左右。

溫度、雜質、光照對半導體的導電性能的影響是制作各種半導體器件的物理基礎。

7.2半導體二極管

7.2.1二極管的結構與特性

1.基本結構

將PN結的兩端加上電極引線并用外殼封裝，就組成了一只晶體二極管。由P區(qū)引出的電極為正極(又稱陽極)，由N區(qū)引出的電極為負極(又稱陰極)。常見的二極管外形及電路符號如圖7-7所示。圖7-7二極管的符號及結構示意圖通常二極管有點接觸型和面接觸型兩類。

點接觸型二極管的特點是：PN結面積小，結電容小，不能承受較高的反向電壓和較大的工作電流，適用于高頻小功率電路。

面接觸型二極管的特點是：PN結面積較大，結電容也大，可承受較大的電流，常用于低頻大功率電路中。

2.伏安特性

二極管的伏安特性是指加在二極管兩端的電壓U與流過二極管的電流I之間的關系，即I=f(U)。在近似分析時，二極管的伏安特性可用下式表示：

(7-1)

式中，IS為反向飽和電流，UT=kT/q稱為溫度的電壓當量，k為玻爾茲曼常數，T為熱力學溫度，q為電子電荷量。對于室溫(相當于T為300K)，有UT=26mV。

二極管就是一個PN結，當然具有單向導電性。2CP12(普通型硅二極管)和2AP9(普通型鍺二極管)的伏安特性曲線如圖7-8所示。圖7-8二極管的伏安特性

1)正向特性

當U>0時，二極管處于正向特性區(qū)域。在正向特性的起始部分，由于外加電壓很小，因此外電場還不足以削弱內電場，多數載流子的擴散運動還不能得到加強，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區(qū)。當正向電壓超過某一數值后，內電場就被大大削弱了，正向電流迅速增大。這個數值的電壓稱為二極管的門坎電壓(又稱為死區(qū)電壓)。一般硅二極管的門坎電壓約為0.5V，鍺二極管的門坎電壓約為0.2V。二極管一旦正向導通后，只要正向電壓稍有變化，就會使正向電流變化較大，即正向電壓隨正向電流增大而增大很小，在這一段二極管的正向特性曲線很陡。因此，二極管正向導通時，管子上的正向壓降不大，且正向壓降的變化很小。一般硅二極管的正向電壓UBE(on)≈0.7V，鍺二極管的正向電壓UBE(on)≈0.3V。

2)反向特性

當U<0時，二極管處于反向特性區(qū)域。由曲線可以看出，在一定的反向電壓范圍內，反向電流變化不大，這是因為反向電流是由少數載流子的漂移運動形成的，且在一定溫度下，少子的數目是基本不變的，所以反向電流基本恒定，與反向電壓的大小無關，故通常稱其為反向飽和電流。反向飽和電流隨溫度的升高而增加。當反向電壓過高時，會使反向電流急劇增大，這種現象稱為反向擊穿。7.2.2二極管的參數

半導體器件的質量指標和安全使用范圍常用它的參數來表示。所以，參數是我們選擇和使用器件的標準。二極管的主要參數有以下幾個。

1．最大整流電流IOM

IOM是二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向平均電流。因電流通過PN結會引起二極管發(fā)熱，故電流過大會導致PN結發(fā)熱過度而燒壞。

2．最高反向工作電壓URM

二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。URM是為了防止二極管反向擊穿而規(guī)定的最高反向工作電壓。最高反向工作電壓一般為反向擊穿電壓的1/2或2/3。

3．最大反向電流IRM

IRM是指當二極管加上最大反向工作電壓時的反向電流值，其值愈小，說明二極管的單向導電性愈好。硅管的反向電流較小，一般在幾微安以下。鍺管的反向電流較大，是硅管的幾十至幾百倍。7.2.3特殊二極管

1．穩(wěn)壓二極管

利用二極管反向擊穿特性陡直的特點，可以制作穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型硅二極管，能承受較大的電流，它的電路符號和伏安特性曲線如圖7-9所示。穩(wěn)壓管的伏安特性曲線和普通二極管類似，只是反向特性曲線比較陡。圖7-9穩(wěn)壓管的電路符號和伏安特性曲線穩(wěn)壓管的主要參數有如下幾個。

1)穩(wěn)定電壓UZ和穩(wěn)定電流IZ

穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓管在正常工作狀態(tài)下管子兩端的電壓。同一型號的穩(wěn)壓管，由于制造方面的原因，其穩(wěn)壓值也有一定的分散性，如2CW18的穩(wěn)定電壓UZ為10～12V。

穩(wěn)定電流常作為穩(wěn)壓管的最小穩(wěn)定電流IZmin來看待。一般小功率穩(wěn)壓管可取IZ為5mA。如果反向工作電流太小，則會使穩(wěn)壓管工作在反向特性曲線的彎曲部分，從而使穩(wěn)壓特性變壞。

2)最大穩(wěn)定電流IZmax和最大允許耗散功率PZM

這兩個參數都是為了保證管子安全工作而規(guī)定的。最大允許耗散功率PZM=UZIZmax。如果管子的電流超過最大穩(wěn)定電流IZmax，則會使管子的實際功率超過最大允許耗散功率，管子將會發(fā)生熱擊穿而損壞。

3)電壓溫度系數av

電壓溫度系數是說明穩(wěn)定電壓UZ受溫度變化影響的系數。例如，2CW18穩(wěn)壓管的電壓溫度系數為0.095%/℃，就是說溫度每增加1℃，其穩(wěn)壓值將升高0.095%。一般穩(wěn)壓值低于6V的穩(wěn)壓管具有負的溫度系數，高于6V的穩(wěn)壓管具有正的溫度系數。穩(wěn)壓值為6V左右的管子其穩(wěn)壓值基本上不受溫度的影響，因此，選用6V左右的管子可以得到較好的溫度穩(wěn)定性。

4)動態(tài)電阻rZ

動態(tài)電阻是指穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量ΔUZ與相應的電流變化量ΔIZ的比值，如圖7-9所示，即

(7-2)

穩(wěn)壓管的反向特性曲線越陡，動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能就越好。rZ的數值約在幾歐至幾十歐之間。

2．發(fā)光二極管

發(fā)光二極管通常用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物(如砷化鎵、磷化鎵等材料)制成。發(fā)光二極管也具有單向導電性。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色取決于所用材料，目前有紅、綠、黃、橙等色，管子外形可以制成長方形、圓形等形狀。其符號及電路如圖7-10所示。圖7-10發(fā)光二極管電路

3．光電二極管

光電二極管的結構與普通二極管類似，使用時光電二極管的PN結工作在反向偏置狀態(tài)，在光的照射下，反向電流隨光照強度的增加而上升(這時的反相電流叫做光電流)，所以，光電二極管是一種將光信號轉為電信號的半導體器件。光電二極管的符號如圖7-11所示。另外，光電流還與入射光的波長有關。圖7-11光電二極管的符號7.3二極管的應用

7.3.1整流電路

整流就是把大小、方向都隨時間變化的交流電變換成直流電。完成這一任務的電路稱為整流電路。常見的整流電路有單相半波、全波、橋式整流電路等。

1．半波整流電路

利用二極管的單向導電特性，在電路中只用一個二極管就可以實現半波輸出。具體的實現電路如圖7-12所示。圖7-12單相半波整流電路如果輸入信號為正弦波，則由于二極管的單向導電性，在輸入信號為正半周時，VD導通，這時負載電阻RL上的電壓為uo，在輸入信號的負半周，二極管反向截止，負載電阻RL上沒有電壓輸出。如果忽略二極管的導通壓降，在負載上獲得的輸出電壓波形如圖7-13所示。圖7-13單相半波整流電路的輸出波形負載上得到的整流之后的電壓是單向的，但其大小是變化的，這就是所謂的單向脈動電壓。通常用一個周期的平均值來說明它的大小。輸出電壓的平均值為

(7-3)

式中，U為輸入正弦信號的有效值。

2．全波整流電路

單相半波整流的缺點是只利用了電源的半個周期。將兩個半波整流電路組合起來，便可形成一個全波整流電路，其電路如圖7-14所示。

在該電路中，二極管VD1、VD2在正、負半周輪流導電，且流過負載RL的電流為同一方向，故在正、負半周，負載上均有輸出電壓。顯然，全波整流電路的整流電壓的平均值Uo(av)比半波整流時增加了一倍，即Uo(av)=0.9U2，二極管所承受的最大反向電壓為變壓器副邊電壓信號幅值的兩倍，即UV1(max)=2

U2。

圖7-14單相全波整流電路及其輸出波形

3．橋式整流電路

單相橋式整流電路由四個二極管接成電橋的形式組成。橋式整流電路如圖7-15(a)所示，圖(b)是它常用的簡化畫法。圖7-15單相橋式整流電路在變壓器副邊電壓的正半周，其極性為上正下負，即二極管VD1與VD2導通，VD3與VD4截止，這時負載電阻上得到一個上正下負的半波電壓；在變壓器副邊電壓的負半周，其極性為上負下正，即二極管VD3與VD4導通，VD1與VD2截止，這時負載電阻上仍得到一個上正下負的半波電壓，其輸出波形如圖7-16所示。圖7-16單相橋式整流電路的電壓與電流波形7.3.2限幅電路

利用二極管的單向導電性和導通后兩端電壓基本不變的特點，可組成限幅(削波)電路，用來限制輸出電壓的幅度。

圖7-17(a)所示為一單向限幅電路。圖中，ui為正弦信號，其幅值大于直流電源電壓E。當ui>E時，二極管VD截止，輸出電壓uo=E；當ui<E時，V正向導通，uo=ui。

uo的波形如圖7-17(b)所示。由圖可見，只有uo的正半周的幅度受到了限制，而負半周的幅度沒有受到限制，故該電路稱為單向限幅電路。圖7-17二極管單向限幅電路圖7-18(a)所示為一雙向限幅電路。其中，直流電源電壓E1=E2，ui為正弦信號，其幅值大于直流電源電壓。

當E1>ui>0時,二極管VD1、VD2均截止,輸出電壓uo=ui;

當ui>E1時，VD1正向導通，VD2仍截止，uo=E1。

在負半周當|ui|<E2時，二極管VD1、VD2均截止，輸出電壓uo=ui；當|ui|>E2時，VD2正向導通，VD1仍截止，uo=－E2。

uo的波形如圖7-18(b)所示。由圖可見，uo的正、負半周的幅度同時受到了限制，故該電路稱為雙向限幅電路。

圖7-18二極管雙向限幅電路7.3.3開關電路

由于二極管具有單向導電性，所以在數字電路中經常把它當作開關使用。

圖7-19(a)給出了二極管組成的開關電路圖，圖(b)為二極管導通狀態(tài)下(U>0時)的等效電路，圖(c)為二極管在截止狀態(tài)下(U<0時)的等效電路，圖中忽略了二極管的正向壓降。圖7-19二極管組成的開關電路圖及其等效電路7.3.4穩(wěn)壓電路

由穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路是一種最簡單的直流穩(wěn)壓電路。在圖7-20中，穩(wěn)壓電路由限流電阻R和穩(wěn)壓管VZ構成。當電源電壓出現波動或者負載電阻(電流)變化時，該穩(wěn)壓電路能自動維持負載電壓Uo基本穩(wěn)定。圖7-20穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路假設負載不變，當交流電源電壓突然增加時，整流輸出電壓Ui增加，負載電壓Uo也隨之增大。但是對于穩(wěn)壓管而言，Uo即加在穩(wěn)壓管兩端的反向電壓，該電壓的微小變化將會使流過穩(wěn)壓管的電流IZ顯著變化，因此IZ將隨著Uo的增大而顯著增加，使流過電阻R的電流增大，導致R兩端的壓降增加，Ui的增加電壓絕大部分降落在R上，負載電壓Uo保持近似不變。相反，當交流電源電壓減低時，上述電壓、電流的變化過程剛好相反，負載電壓Uo亦保持近似不變。假設整流輸出電壓Ui不變，當負載電流IL突然增大(負載降低)時，電阻R上的壓降增大，導致負載電壓Uo下降，流過穩(wěn)壓管的電流IZ顯著減少，從而使IR基本不變，電阻R上的壓降近似不變，因此負載電壓Uo保持穩(wěn)定。當負載電流減少時，穩(wěn)壓過程類似。

穩(wěn)壓管的選取一般按照以下規(guī)則來執(zhí)行：

(7-4)小結

一、基本要求

1.理解PN結的單向導電性。

2.了解二極管和穩(wěn)壓管的基本結構、工作原理和主要特性曲線，理解其主要參數的意義。

3.了解整流電路和由穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路的工作原理。

二、內容提要

1．半導體有自由電子和空穴兩種載流子參與導電。本征半導體的載流子由本征激發(fā)產生，電子和空穴成對出現，其濃度隨溫度升高而增加。雜質半導體的多子主要由摻雜產生，濃度很大且基本不受溫度影響，少子由本征激發(fā)產生。雜質半導體的導電性能主要由多子濃度決定，因此比本征半導體大大改善。本征半導體中摻入五價元素雜質，則成為N型半導體。N型半導體中電子是多子，空穴是少子。本征半導體中摻入三價元素雜質，則成為P型半導體。P型半導體中空穴是多子，電子是少子。

2．PN結零偏時，擴散運動和漂移運