半導體及二極管新版

1、第2篇 電子學第10章 半導體及二極管大綱要求：掌握二極管和穩(wěn)壓管特性、參數(shù) 了解載流子，擴散，漂移；PN結的形成及單向?qū)щ娦?10.1 半導體的基本知識 本征半導體本征半導體是一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體。當電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后，就同時在原來的共價鍵的相應位置上留下一個空位，這個空位稱為空穴，空穴的出現(xiàn)是半導體區(qū)別于導體的一個重要特點。顯然，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，所以稱它們?yōu)殡娮涌昭▽Α?雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)的化合價不同，雜質(zhì)半導體分為N型和P型兩大類。（1）N型半導體 在4價元素的硅（或鍺）晶體

2、中，摻入微量的5價元素磷（或砷、銻等）后，磷原子將散布于硅原子中，且替代了晶體點陣中某些位置上的硅原子。通常，摻雜所產(chǎn)生的自由電子濃度遠大于本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子或空穴的濃度，所以雜質(zhì)半導體的導電性能遠超過本征半導體。顯然，這種半導體中自由電子濃度遠大于空穴濃度，所以稱電子為多數(shù)載流子（majority carrier，簡稱多子），空穴為少數(shù)載流子（minority carrier，簡稱少子）。因為這種半導體的導電主要依靠電子，所以稱為型半導體或電子型半導體。（2）P型半導體在硅（或鍺）的晶體中摻入微量的3價元素硼（或鋁、銦等）后，雜質(zhì)原子也散布于硅原子中，且替代了晶體點陣中某些位置上的硅原

3、子。在這種半導體中，空穴是多子，自由電子是少子，它的導電主要依靠空穴，因此稱為P型半導體或空穴型半導體。 半導體中的兩種電流（1）漂移電流：   自由電子和空穴在電場作用下的定向運動所形成的電流。（2）擴散電流：同一種載流子從濃度高處向濃度地處擴散所形成的電流稱為擴散電流。 PN結（1）PN結的形成P區(qū)和N區(qū)交界面處形成的區(qū)域稱為PN結。形成原因主要有以下三個：載流子的濃度差引起多子的擴散 ；復合使交界面形成空間電荷區(qū) (耗盡層)擴散和漂移達到動態(tài)平衡（2）PN結的單向?qū)щ娦约釉赑N結上的電壓稱為偏置電壓。若P區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位，稱PN結外接正向電壓或PN結

4、正向偏置，簡稱正偏；反之，稱PN結外接反向電壓或PN結反向偏置，簡稱反偏。結論：正偏導通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。10.2 半導體二極管 二極管的結構及類型構成：PN 結 + 引線 + 管殼 = 二極管(Diode) 符號：陽極（正極） 陰極（負極）分類：1.根據(jù)材料   硅二極管、鍺二極管2.根據(jù)結構   點接觸型、PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路面接觸型：PN結面積大，用于低頻大電流整流電路平面型： 半導體二極管的伏安特性二極管由一個PN結構成，具有單向?qū)щ娦浴?當外加正向電壓小于Uth時，外電場不足以

5、克服PN結的內(nèi)電場對多子擴散運動造成的阻力，正向電流幾乎為零，二極管呈現(xiàn)為一個大電阻，好像有一個門坎，因此將電壓Uth稱為門檻電壓(又稱死區(qū)電壓)。二極管電流iD隨外加于二極管兩端的電壓uD的作用而變化的規(guī)律，稱為二極管的伏安特性曲線。如圖所示：根據(jù)理論推導，二極管的伏安特性曲線可用下式表示:式中IS 為反向飽和電流，V 為二極管兩端的電壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q 為電子電荷量，T 為熱力學溫度。對于室溫（相當T=300 K），則有VT=26 mV。正向特性：u>0的部分稱為正向特性，分兩段：當0VVth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓

6、；當VVth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5 V左右，鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1 V左右反向特性：u<0的部分稱為反向特性。當VBRV0時，（絕對值）反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS 。反向擊穿：當VVBR時，（絕對值）反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓 。雪崩擊穿 齊納擊穿勢壘電容：耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容Cb。 二極管的主要參數(shù)1、最大整流電流 IF：是指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。因為電流通過PN結要引起管子發(fā)熱，電流太大，發(fā)熱量超過限度，就會使PN結燒

7、壞。例如2APl最大整流電流為16mA。2、反向擊穿電壓 VBR：指管子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娦员黄茐模踔烈蜻^熱而燒壞。一般手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半，以確保管子安全運行。例如2APl最高反向工作電壓規(guī)定為2OV， 而反向擊穿電壓實際上大于40V。3、反向電流 IR：指管子末擊穿時的反向電流， 其值愈小，則管子的單向?qū)щ娦杂?。由于溫度增加，反向電流會急劇增加，所以在使用二極管時要注意溫度的影響。4、極間電容 CJ：二極管的極間電容包括勢壘電容和擴散電容，在高頻運用時必須考慮結電容的影響。二極管不同的工作狀態(tài)，其極間電容產(chǎn)生的影響效果也

8、不同。二極管的參數(shù)是正確使用二極管的依據(jù)，一般半導體器件手冊中都給出不同型號管子參數(shù)。使用時，應特別注意不要超過最大整流電流和最高反向工作電壓，否則將容易損壞管子 二極管電路的模型分析法（1）理想模型-理想的開關圖中表示理想二極管的VI特性和符號，其中的虛線表示實際二極管的VI特性。由圖中可見，在正向偏置時，其管壓降為OV，而當二極管處于反向偏置時，認為它的電阻為無窮大，電流為零。在實際的電路中，當電源電壓遠比二極管的管壓降大時，利用此法來近似分析是可行的。（2）恒壓模型-其正向壓降為0.7V(硅管)這個模型如圖所示，其基本思想是當二極管導通后，其管壓降認為是恒定的，且不隨電流而變，典型值為0

9、.7V，不過，這只有當二極管的電流iD近似等于或大于1mA時才是正確的。該模型提供了合理的近似，因此應用也較廣。 （3）折線模型外加電壓遠大于二極管的導通電壓UD(on)時,忽略UD(on)的影響,將二極管的特性曲線用從坐標原點出發(fā)的兩段折線逼近,稱為二極管的折線模型.（4）微變等效模型 二極管對應交流等效電阻表示，其值與靜態(tài)工作點有關10.3 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓原理及特性穩(wěn)壓二極管的特性曲線與普通二極管基本相似，只是穩(wěn)壓二極管的反向特性曲線比較陡。穩(wěn)壓二極管的正常工作范圍，是在伏安特性曲線上的反向電流開始突然上升的A、B段。 這一段的電流， 對于常用的小功率穩(wěn)壓管來講，一般為幾毫安至幾十毫安。

10、 主要電參數(shù)(1) 穩(wěn)定電壓VZ ：在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。 (2) 動態(tài)電阻rZ rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。 rZ =DVZ /DIZ(3) 最大耗散功率(4) 最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流IZmin (5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)aVZ溫度的變化將使VZ改變，在穩(wěn)壓管中當êVZ ê 6V時，VZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。 當êVZ ê4 V時， VZ具有負溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。當4 VêVZ ê 6 V時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作

11、為標準穩(wěn)壓管使用。第六段例題：1. 設本題圖所示各電路中的二極管性能均為理想。試判斷各電路中的二極管是導通還是截止，并求出A、B兩點之間的電壓AB值。解：在圖電路中，當二極管開路時，由圖可知二極管D1、D2兩端的正向電壓分別為10V和25V。二極管D2兩端的正向電壓高于D1兩端的正向電壓，二極管D2優(yōu)先導通。當二極管D2導通后，UAB=15V，二極管 D1兩端又為反向電壓。故D1截止、D2導通。UAB=15V。2.電路如圖（a）所示。設輸入信號，二極管導通壓降可以忽略不計試分別畫出輸出電壓的波形。圖 (a)解在圖（a）所示電路中，當二極管斷開時，二極管兩端的電壓等于。所以當時，二極管截止，當時，二極管導通，由此畫出輸出電壓的波形如圖（b）所示。圖 (b)3. 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖所示。其中硅穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ=8V、動態(tài)電阻rZ可以忽略，UI=20V。試求：     (1)  UO、