模拟电子技术教案-第1章 半导体二极管及其基本应用

模拟电子技术主编第1章半导体二极管及其基本应用1.1.1 半导体的基础知识本证半导体1.定义：纯净的单晶半导体称为本征半导体。

2.本征半导体的原子结构及共价键：共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。

3.本征激发和两种载流子：——自由电子和空穴受温度的影响，束缚电子脱离共价键成为自由电子，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。

在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。

复合现象：空穴出现以后，邻近的束缚电子可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。

为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。

4. 结论(1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。

（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生,数目相同。

（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。

（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。

这是半导体和导体在导电机制的本质差异。

另一方面，空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。

杂质半导体1.定义：为了提高半导体的导电能力可在本征半导体中掺入微量杂质元素，该半导体称为杂质半导体。

2.半导体分类在本征半导体中有意识加入微量的三价元素或五价元素等杂质原子，可使其导电性能显著改变。

根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N 型）半导体和空穴型（P 型）半导体。

（1）N 型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N 型半导体。

五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。

自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子，半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的空穴产生，如图所示。

（2）P 型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P 型半导体。

三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子，半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的自由电子产生，如图所示。

综上所述：1. N 型半导体中，电子数为多数载流子，（多子），空穴为少数载流子（少子），N 型半导体主要靠电子导。

2. P 型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。

P 型半导体主要靠空穴导电PN结在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。

综上所述：－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++扩散运动漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。

内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

空间电荷区，也称耗尽层。

在半导体中由于浓度差别，多数载流子（多子）从浓度高向浓度低的区域移动，称扩散运动；形成扩散电流。

少数载流子（少子）在内电场作用下，有规则的运动称为漂移运动；形成漂移电流。

空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N 区指向P 区的内电场。

内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。

同时，内电场则可推动少数载流子（P 区的自由电子和N 区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。

少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。

漂移运动和扩散运动的方向相反。

无外加电场时，通过PN 结的扩散电流等于漂移电流，PN 结中无电流流过，PN 结的宽度保持一定而处于稳定状态。

二、PN结的单向导电性如果在PN 结两端加上不同极性的电压，PN 结会呈现出不同的导电性能PN 结加正向电压：PN 结P 端接高电位，N 端接低电位,称PN 结外加正向电压，又称PN 结正向偏置，简称为正偏，如图所示。

PN 结呈现低阻态，称为：导限流电阻PN 结外加反向电压：PN 结P 端接低电位，N 端接高电位，称PN 结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图所示。

PN 结呈现高阻态，称为：截综上所述：PN 结的单向导电性是指PN 结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。

1.1.2 二极管的结构、类型和符号PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成了半导体二极管，简称二极管。

具有单向导电性。

二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。

可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类，如图所示。

不同类型二极管的特点点接触型：二极管的PN结面积很小（结电容），不能通过较大电流，但高频性能好，工作频率可高达150MHZ以上。

面接触型：二极管的PN结面积大（结电容小）故可通过较大电流，但是工作频率较低。

二极管的符号：如图所示。

由P 端引出的电极是正极,由N 端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。

常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。

按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。

根据使用的不同，二极管的外形各异，如图所示为几种常见的二极管外形。

1.1.3 二极管的伏安特性二极管两端的电压U 及其流过二极管的电流I 之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。

1. 正向特性：二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。

如图所示当二极管所加正向电压比较小时（0<U<Uon）,二极管上流经的电流为0，管子仍截止,此区域称为死区，Uon 称为死区电压（门坎电压）。

硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。

2. 反向特性：二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。

二极管外加反向电压时，反向电流很小（I ≈-IS），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。

如图可见。

当反向电压超过某一数值时，反向电流将急剧增大，二极管将反向击穿，可能导致二极管的永久性损坏，这一电压称为二极管的反向击穿电压，不同型号的二极管反向击穿电压差别很大，从几十伏到几千伏不等。

1.2.3 温度对二极管特性的影响温度对二极管特性有显著影响当温度升高时，正向特性曲线左移，反向特性向下移。

温度变化规律是：在室温附近，温度每升高10C，正向电压约减小2-2.5mV，温度每升高10℃，反向电流大约增加一倍。

若温度过高，可能导致本征激发引起的少子浓度超过杂质原子所提供的多子浓度，此时杂质半导体变得与本征半导体相似，PN结消失。

温一般规定硅管所允许的最高结温度150-2000C ，锗管为75-1500C。

1.1.4 二极管的主要参数1. 最大整流电流I F最大整流电流I F是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。

2 .最高反向工作电压U RU R是指二极管工作时允许外加的最高反向电压，外加电压超过此值时，管子将可能因反向击穿而损坏，通常U R规定为反向电压值的一半。

3 .反向电流I RI R是指二极管未击穿时的反向饱和电流，IR 越小的管子，其单向导电性能越好。

I R 对温度非常敏感。

对于同一管子，温度升高，I R增大。

4. 最高工作频率f M指保证二极管单向导电作用的最高工作频率。

当工作频率超过f M时，二极管的单向导电性能就会变差，甚至失去单向导电特性。

PN结具有电容效应，其作用PN结电容效应来等效，它并联于二极管的两端。

由于PN结电容很小，对低频工作的影响很小，当工作频率升高时，其影响就会增大，所以f M主要决定于PN结电容大小，其值越大f M就越小。

1.2二极管的基本应用1.2.1 二极管的大信号模型1）理想模型：即正向偏置时管压降为0，导通电阻为0；反向偏置时，电流为0，电阻为∞。

适用于信号电压远大于二极管压降时的近似分析。

2）简化电路模型：是根据二极管伏安特性曲线近似建立的模型，它用两段直线逼近伏安特性，即正向导通时压降为一个常量Uon；截止时反向电流为0。

3）小信号电路模型：即在微小变化范围内，将二极管近似看成线性器件而将它等效为一个动态电阻r D 。

这种模型仅限于用来计算叠加在直流工作点Q上的微小电压或电流变化时的响应。

1.2.2 二极管应用电路举例一、低电压稳压电路二极管正向导通UO = 2UD(on)≈1.4V二、与门电路三、整流电路利用二极管的单向导电性将交流电变为直流电，称为整流。

UA 、UB 均为高电压时，Y 端输出为高电压，只要有一个输入为低电压，则输出为低电压，实现了与功能。

U AUBU OR 3k 12 VV DD V 1V 2BAYR L V 1 V2 V3 V4 ui B A u O1.3 特殊二极管及其基本应用1.3.1 稳压管1.PN结反向击穿机理解释2.稳压管的主要参数3.稳压管的稳压原理（1）稳压管必须工作在反向击穿区（2）稳压管应与负载R L并联，（3）必须限制流过稳压管的电流I Z4.举例说明如何选择限流电阻R1.3.2 发光二极管与光电二极管发光二极管：工作条件：正向偏置一般工作电流几~几十mA，导通电压(1.7~3.5) V光电二极管：工作条件：反向偏置1.3.3 变容二极管利用PN结的电容特性制成的二极管称为变容二极管，反偏时它的反向电阻很大，近似开路，其容量随加于PN结两端反向电压的增加而减小。