電子電路技術(shù)第5章

5.1半導(dǎo)體二極管的工作原理與特性它們的最外層電子（價電子）都是四個。每個原子與晶格上相鄰的4個原子共享價電子（使最外層達(dá)到最穩(wěn)定的8個電子狀態(tài)，從而形成共價鍵。1、半導(dǎo)體材料根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。2、半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)1）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。電子空穴對——由熱激發(fā)而

產(chǎn)生的自由電子和空穴對。晶體中原子的排列方式價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)2）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。電子空穴對——由熱激發(fā)而

產(chǎn)生的自由電子和空穴對。晶體中原子的排列方式自由電子空穴價電子自由電子和空穴成對產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，電子空穴對的產(chǎn)生與復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中電子空穴對濃度一定。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)3）本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理外加電壓時，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流自由電子作定向運(yùn)動形成電子電流，類似金屬導(dǎo)體導(dǎo)電相鄰價電子遞補(bǔ)空穴形成空穴電流。能夠承載電流的粒子稱為載流子，半導(dǎo)體含有兩種載流子：自由電子和空穴。本征半導(dǎo)體中載流子濃度極小，導(dǎo)電性能很差；溫度越高，本征半導(dǎo)體中載流子濃度越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力受溫度影響很大。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)4）雜質(zhì)半導(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。1.N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中加入五價元素，這些五價元素在外層含有五個電子，除了四個與其周圍的半導(dǎo)體原子構(gòu)成共價鍵，還有一個電子成為自由電子，這種半導(dǎo)體中含有較高的自由電子濃度，自由電子是多數(shù)載流子（多子），空穴濃度較低，是少數(shù)載流子（少子）。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)5）+5+4+4+4余下的這個不受共價鍵束縛的價電子,在室溫下獲得的熱能也可以使它掙脫原子核的引力而成為自由電子。5價元素稱為施主雜質(zhì)，它失去一個價電子成為正離子，但不會產(chǎn)生空穴。正離子束縛在晶格中，不能象空穴那樣起導(dǎo)電作用。摻雜5價原子5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)6）如果在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素，則形成P型半導(dǎo)體，空穴為多數(shù)載流子，而自由電子為少數(shù)載流子。2.P型半導(dǎo)體+3+4+4+4摻雜的三價元素稱為受主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)接受一個電子后形成一個帶負(fù)電的負(fù)離子但不會產(chǎn)生自由電子。負(fù)離子在晶格中不能起導(dǎo)電作用。摻雜半導(dǎo)體的多子濃度主要由摻雜濃度決定，所以其導(dǎo)電能力也由摻雜濃度決定。摻雜3價原子5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)7）N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是自由電子；

P型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴。

不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但整個晶體仍然是不帶電的，宏觀上保持電中性。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)8）載流子的運(yùn)動載流子在電場作用下的漂移運(yùn)動

沒有電場作用時,半導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子和空穴的運(yùn)動是雜亂無章的熱運(yùn)動，其運(yùn)動方向不斷改變，因此從平均的意義上來說不會產(chǎn)生電流。

在電場作用下載流子的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。由漂移運(yùn)動產(chǎn)生的電流為漂移電流。電場E+-eq5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)9）載流子的運(yùn)動(續(xù))載流子的擴(kuò)散運(yùn)動

如果在半導(dǎo)體中兩個區(qū)域自由電子和空穴的濃度存在差異，那么載流子將從濃度大的一邊向濃度小的一邊擴(kuò)散。由于濃度差引起的載流子運(yùn)動為擴(kuò)散運(yùn)動。相應(yīng)產(chǎn)生的電流為擴(kuò)散電流。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)10）PN結(jié)PN結(jié)的形成

在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，P型N型++--E在P型半導(dǎo)體一側(cè)，空穴濃度較高，而在N型半導(dǎo)體一側(cè)，自由電子濃度較高，因此，界面處存在載流子濃度梯度，產(chǎn)生多數(shù)載流子向?qū)γ娴臄U(kuò)散運(yùn)動，隨著擴(kuò)散的進(jìn)行界面附近載流子不斷復(fù)合，留下帶電離子形成空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)），建立起內(nèi)建電場E阻止多子擴(kuò)散進(jìn)一步進(jìn)行?？昭娮?.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)11）另一方面，對進(jìn)入空間電荷區(qū)的少子，內(nèi)建電場又將其驅(qū)動到對面（漂移運(yùn)動），在一定溫度下，如果無外界電場的作用，達(dá)到動態(tài)平衡，形成所謂PN結(jié)。這時的擴(kuò)散電流等于漂移電流。PN結(jié)中沒有凈電流流動。P型N型++--EPN結(jié)空間電荷區(qū)的叫法很多，有叫耗盡區(qū)的，也有叫阻擋層的。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)12）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)外加電場加入后，如果外電場方向與內(nèi)電場方向一致(即，外加電壓正端接N區(qū),負(fù)端接P區(qū))，PNEUPN結(jié)加反向偏壓，不導(dǎo)電（截止）內(nèi)建電場得到加強(qiáng)，空間電荷區(qū)加寬，載流子更難通過，因而不能導(dǎo)電（截止）。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)13）PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕ɡm(xù)）

當(dāng)外加電場方向與內(nèi)電場方向相反（即，外加電壓正端接P區(qū)，負(fù)端接N區(qū)），PNEUPN結(jié)加正向偏壓，導(dǎo)電（導(dǎo)通）內(nèi)建電場受到削弱，空間電荷區(qū)變窄，載流子易于通過，因而產(chǎn)生導(dǎo)電現(xiàn)象（導(dǎo)通）。這種只有一種方向?qū)щ姷默F(xiàn)象稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)14）半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管的電路符號與基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管內(nèi)部就是一個PN結(jié)，將其封裝并接出兩個引出端，從P區(qū)引出的端稱為陽極（正極），從N區(qū)引出的端稱為陰極（負(fù)極）。電路符號如圖，陽極陰極D二極管電路符號根據(jù)PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕O管只有當(dāng)陽極電位高于陰極電位時，才能按箭頭方向?qū)娏?。符號箭頭指示方向?yàn)檎?，色點(diǎn)則表示該端為正極。為了防止使用時極性接錯，管殼上標(biāo)有“”符號或色點(diǎn)，如果二極管極性接錯，不僅造成電路無法正常工作，還會燒壞二極管及電路中其他元件。半導(dǎo)體二極管照片5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)15）半導(dǎo)體二極管的伏安特性DiDuDuDiDO正向?qū)?.5鍺硅0.21.正向特性外加正向電壓時，正向特性的起始部分，正向電流幾乎為零。這一段稱為“死區(qū)”。對應(yīng)于二極管開始導(dǎo)通時的外加電壓稱為“死區(qū)電壓”。鍺管約為0.2V,硅管約0.5V。正向電壓：導(dǎo)通時端電壓。UD（鍺管約為0.3V,硅管約0.7V）5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)16）半導(dǎo)體二極管的伏安特性（續(xù)）2.反向特性外加反向電壓不超過一定范圍時通過二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動所形成的很小的反向電流，稱為反向飽和電流或漏電流。該電流受溫度影響很大。3.擊穿特性外加反向電壓超過某一數(shù)值時，反向電流會突然增大，這種現(xiàn)象稱為擊穿（擊穿時，二極管失去單向?qū)щ娦裕?。對?yīng)的電壓稱為擊穿電壓。uDiDO正向?qū)ǚ聪蚪刂箵舸?.5鍺硅0.2反向飽和電流5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)17）二極管的電路模型

在實(shí)際電路分析、設(shè)計中常使用逐段線性的二極管特性1.理想二極管的電路模型：iDuD0導(dǎo)通電壓UD與二極管材料有關(guān)2.考慮導(dǎo)通電壓的二極管模型：iDuD0_+uDiDuDUDuDUD+uDiD_5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)18）3.考慮正向伏安特性曲線斜率的二極管電路模型以動態(tài)電阻rD表示曲線的斜率iDuD0UDuDUD+uDiD_rD5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)19）理想二極管應(yīng)用電路實(shí)例限幅電路uiuoRE輸入電壓為一正弦波。電池電壓：E=4V08t40t截止截止當(dāng)輸入電壓小于電池電壓時，二極管兩端電壓處于反向偏置，截止，沒有電流流過，所以輸出電壓跟隨輸入電壓變化。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)20）理想二極管應(yīng)用電路實(shí)例限幅電路uiuoRE輸入電壓為一正弦波。電池電壓：E=4V08t40t截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通如果考慮二極管導(dǎo)通電壓，則此時輸出電壓應(yīng)為4.7V。當(dāng)輸入電壓大于電池電壓時，二極管兩端電壓處于正向偏置，導(dǎo)通，二極管兩端電壓為0，所以輸出電壓與電池電壓相同，為4V。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)21）或門電路假定二極管導(dǎo)通電壓忽略不計，我們用列表的方法來分析輸入信號VA，VB和輸出信號VF的關(guān)系：VAVBVFD2D13V3V3V3V0V0V0V0V導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止3V0V3V3V如果定義3V電平為邏輯1，0V電平為邏輯0，則，該電路實(shí)現(xiàn)邏輯“或”的功能：F=A+BD1D2R-12VVAVBVF5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)22）半導(dǎo)體二極管主要參數(shù)uDiDOURWMIRIoMUBR1.最大整流電流IoM：二極管長時間安全工作所允許流過的最大正向平均電流。由PN結(jié)結(jié)面積和散熱條件決定，超過此值工作可能導(dǎo)致過熱而損壞。2.反向工作峰值電壓URWM：為保證二極管不被反向擊穿而規(guī)定的最大反向工作電壓，一般為反向擊穿電壓的一半。5.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)23）uDiDOURWMIRIOMUBR3.反向電流IR：二極管未被擊穿時，流過二極管的反向電流。此值越小，單向?qū)щ娦栽胶谩９韫軆?yōu)于鍺管。4.最高工作頻率fM

：二極管維持單向?qū)щ娦缘淖罡吖ぷ黝l率。由于二極管中存在結(jié)電容，當(dāng)頻率很高時，電流可直接通過結(jié)電容，破壞二極管的單向?qū)щ娦浴?.1半導(dǎo)體二極管（續(xù)24）例：二極管電路如圖，D1、D2為理想二極管，試畫出10Vui10V范圍內(nèi)的電壓傳輸特性曲線。1）當(dāng)D1管截止，D2管導(dǎo)通。u

0=5V-50+5+10-10ui(V)+5-5uo2）當(dāng)D1管截止，D2管截止。u

0=ui3）當(dāng)D1管導(dǎo)通，D2管截止。u0=+5VuiuoRD15VD25V電路把超過±5V的輸入信號部分限制掉。5.1.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管是一種特殊的硅二極管。它允許通過較大的反向電流，經(jīng)過特殊工藝使其反向擊穿電壓比普通二極管低得多（幾到幾十伏）。利用其反向擊穿特性，配以合適的電阻，在電路中可起穩(wěn)壓的作用。二極管在加反向偏置電壓時，處于截

止?fàn)顟B(tài)，僅有很小的反向飽和電流。但是

如果反向電壓增大到一定值時，PN結(jié)的電

場強(qiáng)度太大，將導(dǎo)致二極管的

反向擊穿，這時，二極管反向

電流迅速增大而電壓卻基本不變

——反向擊穿。uDiD0UBR5.1.4穩(wěn)壓二極管（續(xù)1）1.穩(wěn)壓二極管的電路符號DZ+-uzizDZ+-uziz2.穩(wěn)壓二極管的特性izuz0當(dāng)穩(wěn)壓二極管處于正向偏置時，其特性和普通二極管相同。當(dāng)穩(wěn)壓二極管處于反向偏置時，如果電壓較小，則二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電流近似為0。如果電壓達(dá)到擊穿電壓值時，電流迅速增大，穩(wěn)壓二極管處于穩(wěn)壓狀態(tài)。UZ1）PN結(jié)易于擊穿（擊穿電壓比普通二極管低很多）。2）PN結(jié)面積大，散熱條件好，使反向擊穿是可逆的。特點(diǎn)5.1.4穩(wěn)壓二極管（續(xù)2）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)izuz0UZIZIZM△UZ△IZ1）穩(wěn)定電壓UZ2）穩(wěn)定電流IZ

（保證穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能的最小工作電流）。3）最大穩(wěn)定電流IZM

4）最大允許耗散功率PZM5）動態(tài)電阻6）電壓溫度系數(shù)U穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。動態(tài)電阻越小穩(wěn)壓管穩(wěn)壓效果越好穩(wěn)壓管受溫度變化的影響系數(shù)。不同型號的穩(wěn)壓管，都規(guī)定一

個最大穩(wěn)定電流，防止穩(wěn)壓管過流發(fā)生熱擊穿而損壞。5.2二極管整流電路整流電路的目的是把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動的電壓。常見的整流電路有單相半波、全波、橋式整流等。單相半波整流電路u2>0時，二極管導(dǎo)