第1章半導體二極管及其應用電路

1、模擬電子技術 第一章第一章 半導體二極管及其應用電路半導體二極管及其應用電路 本章主要內容：本章主要內容： 1.1 半半導導體的基體的基礎礎知知識識 1.2 半半導導體二極管體二極管 1.3 特殊二極管特殊二極管 1.4 半半導導體二極管的體二極管的應應用用 1.5 本章小本章小結結 1.1 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識 1.1.1 半半導導體的體的導電導電特性特性 1.1.2 PN結結 1.1.1 1.1.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 自然界中的各種物質按其導電性 能的不同可劃分為：導體、半導體和 絕緣體。半導體的導電性能介于導體 和絕緣體之間. 常見的半導體材料是硅(Si)

2、和鍺 (Ge),它們都是+4價元素. 硅的熱穩(wěn)定性比鍺好. 1.1.1 1.1.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 一、半導體的特點 1.熱敏性 2.光敏性 3.摻雜性 溫度、光照、是否摻入雜質元素這 三方面對半導體導電性能強弱影響很大。 當半導體溫度升高、光照加強、摻入雜 質元素，其導電能力將大大增強。 1.1.1 1.1.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 二、本征半導體 半導體按其是否摻入雜質來劃分， 又可分為：本征半導體和雜質半導體。 完全純凈的、結構完整的半導體晶 體稱為本征半導體。 在絕對0K（-273oC），本征半導體 基本不導電。 1.1.1 1.1.1 半導體的導電特性半

3、導體的導電特性 （1 1）本征半導體的原子結構及共價鍵）本征半導體的原子結構及共價鍵 共價鍵內的兩個電子由相鄰的原 子各用一個價電子組成，稱為束縛電 子。 價電子 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 共價鍵的 兩 個價電子 1.1.1 1.1.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 （2 2）本征激發(fā)現(xiàn)象）本征激發(fā)現(xiàn)象 當溫度升高或受光照射時，共價鍵中的價電 子獲得足夠能量，從共價鍵中掙脫出來，變成自 由電子；同時在原共價鍵的相應位置上留下一個 空位，這個空位稱為空穴,電子-空穴對就形成了. 自由電子 a b c 44 4 44 4 4 44 共 價 鍵 的 兩 個 價 電 子 空穴 1.1

4、.1 1.1.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 在外電場或其他能源的作用下，鄰近 的價電子和空穴產生相對的填補運動。這 樣，電子和空穴就產生了相對移動，它們 的運動方向相反，而形成的電流方向是一 致的。 由此可見，本征半導體中存在兩種載 流子：自由電子和空穴，而導體中只有一 種載流子：自由電子，這是半導體與導體 的一個本質區(qū)別。 硼原子 + 4 + 4 + 4 + 4 + 3 + 4 + 4 + 4 + 4 1.1.1 1.1.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 三、雜質半導體 在本征半導體中加入微量微量雜質，可使其導電 性能顯著改變。根據(jù)摻入雜質的性質不同，雜質 半導體分為兩類：電子型

5、（N型）半導體和空穴 型（P型）半導體。 （1） P型半導體-摻入微量的三價元素（如硼） 1.1.1 1.1.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 因此,+3價元素原子獲得一個電 子,成為一個不能移動的負離子，而 半導體仍然呈現(xiàn)電中性。 P型半導體的特點： 多數(shù)載流子為空穴； 少數(shù)載流子為自由電子。 1.1.1 1.1.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 （2） N型半導體-摻入微量的五價 元素(如磷) N型半導體: 多子-自由電子 少子-空穴 磷原子 4 4 4 4 5 4 4 4 4 自由電子 1.1.1 1.1.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 注意： v雜質半導體中的多數(shù)載流子的

6、濃度與 摻雜濃度有關；而少數(shù)載流子是因本 征激發(fā)產生，因而其濃度與摻雜無關， 只與溫度等激發(fā)因素有關. P區(qū) N區(qū) 1.1.1.1.2 PN2 PN結結 一PN結的形成 在一塊本征半導體的兩邊,分別形 成P型和N型半導體,在兩種載流子交界 處會出現(xiàn)載流子的相對運動. 擴散運動-多數(shù)載流子因濃度上的 差異而形成的運動. 1.1.1.1.2 PN2 PN結結 擴散的結果使P區(qū)和N區(qū)原來的電中性被破壞， 在交界面靠近P區(qū)一側留下了不能移動的負離子，靠 近N區(qū)一側留下了等量的正離子。P區(qū)和N區(qū)交界面兩 側形成的正、負離子薄層，稱為空間電荷區(qū),其中無 載流子。由于空間電荷區(qū)的出現(xiàn)，建立了PN結的內 電場

7、。 漂移運動-內電場的作用使載流子發(fā)生的運動. P區(qū) N區(qū) 空間電荷區(qū)(耗 盡區(qū)勢壘區(qū)) 內電場 1.1.1.1.2 PN2 PN結結 當擴散和漂移兩種相反作用的運 動達到動態(tài)平衡時，形成的穩(wěn)定空間 電荷區(qū)就叫做PN結。 P區(qū) N區(qū) PN結 1.1.1.1.2 PN2 PN結結 二PN結的單向導電性 （1）外加正向電壓正偏 當PN結加上正向電壓，即P區(qū)接電源正極(高電 位)，N區(qū)接電源負極(低電位)。此時，稱PN結加正 向偏置電壓，簡稱“正偏”. 變薄變薄 空穴空穴 (多數(shù)多數(shù))電子電子 (多數(shù)多數(shù)) R 外電場外電場 內電場內電場 IF N P 1.1.1.1.2 PN2 PN結結 正偏時由

8、于PN結變薄,空間電荷區(qū) 消失(外加電場足夠大),能導電的區(qū)域 增大,因此,PN結呈現(xiàn)出的正向電阻小, 流過的正向電流大. 因此, PN結正偏導通. 1.1.1.1.2 PN2 PN結結 （2）外加反向電壓反偏 當PN結加上反向電壓，即P區(qū)接電源負極(低電 位)，N區(qū)接電源正極(高電位)。此時，稱PN結加反 向偏置電壓，簡稱“反偏”. NP 變 厚 IR0 R 外電場 內電場 電子 (少數(shù)) 空穴 (少數(shù)) 1.1.1.1.2 PN2 PN結結 反偏時由于PN結變厚, 不能導電的區(qū) 域增大,因此,PN結呈現(xiàn)出的反向電阻很 大,流過的反向電流很小,基本為0. 因此, PN結反偏截止. PN結的單

9、向導電性: 正偏導通,反偏截止 1.1.1.1.2 PN2 PN結結 三.PN結的反向擊穿特性 反向擊穿:當PN結的反偏電壓增加到某一 數(shù)值時，反向電流急劇增大的現(xiàn)象。 PN結的擊穿現(xiàn)象有下列兩類： (1) 熱擊穿:不可逆,應避免 (2) 電擊穿:可逆,又分為雪崩擊穿和齊納 擊穿. 1.1.1.1.2 PN2 PN結結 (1)雪崩擊穿 當反向電壓足夠高時（一般U6V） PN結中內電場較強，使參加漂移的載 流子加速，與中性原子相碰，使之價電 子受激發(fā)產生新的電子空穴對，又被加 速，而形成連鎖反應，使載流子劇增， 反向電流驟增。這種形式的擊穿稱為雪 崩擊穿. 1.1.1.1.2 PN2 PN結結

10、(2)齊納擊穿 對摻雜濃度高的半導體，PN結的 耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓 （U4V），耗盡層可獲得很大的場強， 足以將價電子從共價鍵中拉出來，而獲 得更多的電子空穴對，使反向電流驟增。 1.11.1半導體基礎知識小結半導體基礎知識小結 本征半導體中，電子與空穴總是成對 出現(xiàn)。 雜質半導體有：P型和N型。P型半導 體中，多子是空穴，少子是電子；N型 半導體中，多子是電子，少子是空穴。 在P型和N型半導體交界處形成的空 間電荷區(qū)就是PN結,其主要特性是單向 導電性正偏導通,反偏截止. 1.1.2 2 半導體二極管半導體二極管 1.2.1 二極管的結構及其在電路中的 代表符號 1.2.2

11、二極管的伏安特性曲線 1.2.3 二極管的主要參數(shù) 1.2.4 二極管的命名 1.2.5 二極管的判別 1.1.2.12.1二極管的結構及符號二極管的結構及符號 二極管本質上就是一個PN結. 它在電路中的代表符號和PN結是 相同的: P極 N極 P極又稱為陽極、正極 N極又稱為陰極、負極 1.1.2.12.1二極管的結構及符號二極管的結構及符號 根據(jù)制造結構不同,常見的二極管有點接 觸型, 面接觸型和平面型. (a)點接觸型 (b)面接觸型 (c)平面型 1.1.2.12.1二極管的結構及符號二極管的結構及符號 另外,按材料不同可分為：鍺二 極管、硅二極管。其中，硅二極管 的熱穩(wěn)定性比鍺二極管

12、的熱穩(wěn)定性 要好的多。 按用途不同可分為：普通二極 管、整流二極管、檢波二極管、穩(wěn) 壓二極管、開關二極管、光電二極 管等。 1.1.2.22.2二極管的二極管的V-IV-I特性特性 伏安特性是指二 極管兩端的電壓u 與流過二極管電 流i的關系。 一正向特性 指二極管正偏時 的V-I特性,如圖 中紅色曲線所示。 Vv D/ iv/mA 0.2 0.4 0.6 0.8 -V（BR） 硅 鍺 二極管伏安特性曲線 1.1.2.22.2二極管的二極管的V-IV-I特性特性 正向特點: 正向電壓較小時,不足以使二極管導通, i=0,此時的V-I曲線對應區(qū)域稱為死區(qū) 正向電壓逐漸增大,二極管開始導通,此 時

13、的電壓成為門坎電壓Uth 硅管Uth=0.5V 鍺管Uth=0.1V 當正向電壓繼續(xù)增大,二極管完全導通. 導通后兩端電壓基本為定值,稱為二極 管的正向導通壓降VD 硅管VD=0.7V 鍺管VD=0.3V 1.1.2.22.2二極管的二極管的V-IV-I特性特性 二反向特性 指二極管反偏時的 V-I特性,如圖中綠色 曲線所示。 二極管外加反向電 壓時，反向電流很小 （I-IS），而且在 相當寬的反向電壓范 圍內，反向電流幾乎 不變，因此，稱此電 流值為二極管的反向 飽和電流。 iv/mA 0.2 0.4 0.6 0.8 -V（BR） 硅 鍺 二極管伏安特性曲線 1.1.2.22.2二極管的二極

14、管的V-IV-I特性特性 三二極管的等效電路模型 （1）理想電路模型 反偏時，反向電流近似為零，相當于開關斷 開（開路). - u + 正偏時，其管壓降為0.7V，忽略后相當于開 關閉合（短路）. + u - 1.1.2.22.2二極管的二極管的V-IV-I特性特性 （2）恒壓降模型 反偏時，反向電流近似為零，相當于開關斷開 （開路). - u + 正偏時，管壓降為VD不做忽略,正向電阻小近 似為0,相當于一個大小為VD,方向從P到N的電 壓源. + u - + VD - 1.1.2.32.3二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) 器件的參數(shù)是對其特性的定量描述, 是正確使用和合理選擇器件的依據(jù).

15、一、二極管的直流參數(shù) （1）最大整流電流IFM （2）最高反向工作電壓URM （3）反向電流IR （4）直流電阻RD 1.1.2.32.3二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) 二、二極管的交流參數(shù) （1）交流電阻rd 交流電阻rd是工作點Q附近電壓與電 流的變化量之比，即 ： i u d r 1.1.2.32.3二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) （2）結電容Cj PN結的結電容Cj由兩部分組成：勢壘電 容CB和擴散電容CD。 勢壘電容CB 勢壘電容的影響主要表現(xiàn)在反向偏置狀 態(tài)時。 擴散電容CD 該等效電容是由載流子的擴散運動隨外 電壓的變化引起的. 1.1.2.32.3二極管的主要參數(shù)二極管的主

16、要參數(shù) （3）最高工作頻率fM 二極管的最高工作頻率fM主要由結電 容的大小來決定。 若工作頻率超過了最高工作頻率fM， 則二極管的單向導電性變壞。 1.1.2.42.4二極管的命名二極管的命名 我國國產半導體器件的命名方法采用國家 GB249-74標準。 1.1.2.42.4二極管的命名二極管的命名 1.1.2.52.5二極管的檢測與判別二極管的檢測與判別 一、判別方法： 識別法：通過二極管管殼上的符號、標 志來識別.例如有標記的一端一般為N極. 檢測法：用萬用表的歐姆檔，量程為 R100或R1k檔測量其正反向電阻 （一般不用R1檔，因為電流太大；而 R10k檔的電壓太高，管子有被擊穿 的危

17、險）. 1.1.2.52.5二極管的檢測與判別二極管的檢測與判別 1.1.2.52.5二極管的檢測與判別二極管的檢測與判別 二、檢測法判別步驟 （1）二極管好壞的判別 若測得的反向電阻很大（幾百千歐以 上），正向電阻很小（幾千歐以下）， 表明二極管性能良好。 若測得的反向電阻和正向電阻都很小， 表明二極管短路，已損壞。 若測得的反向電阻和正向電阻都很大， 表明二極管斷路，已損壞。 1.1.2.52.5二極管的檢測與判別二極管的檢測與判別 （2）二極管正、負極性的判斷 將萬用表紅、黑表筆分別接二極 管的兩個電極，若測得的電阻值很小 （幾千歐以下），則黑表筆所接電極 為二極管正極，紅表筆所接電極為

18、二 極管的負極；若測得的阻值很大（幾 百千歐以上），則黑表筆所接電極為 二極管負極，紅表筆所接電極為二極 管的正極。 1.1.3 3 特殊二極管特殊二極管 1.3.1 硅穩(wěn)壓二極管 1.3.2 光電二極管和光電池 1.3.3 發(fā)光二極管 1.1.3.1 3.1 硅穩(wěn)壓二極管硅穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是一種特殊工藝制造的結面 型硅二極管,通常工作在反向擊穿狀態(tài). 一、V-I特性和符號 1.1.3.1 3.1 硅穩(wěn)壓二極管硅穩(wěn)壓二極管 二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù) （1）穩(wěn)定電壓UZ （2）最小穩(wěn)定電流IZmin （3）最大穩(wěn)定電流IZmax （4）額定功耗PZ （5）動態(tài)電阻rZ （6）溫度系數(shù)z 1.1

19、.3.1 3.1 硅穩(wěn)壓二極管硅穩(wěn)壓二極管 三、穩(wěn)壓管的應用 常用的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路: 如:uiuoIZI （= IZ+IL）uR uo（=uiuR） 基本不變 同理，當ui一定， RL 發(fā)生變化時，穩(wěn)壓管兩 端的電壓仍然基本保持 不變,從而起到穩(wěn)壓作 用. 1.1.3.23.2光電二極管和光電池光電二極管和光電池 一、光電二極管 光電二極管又稱光敏二極管，可將光信 號轉換成電信號.它工作在反偏狀態(tài), 反向電 流與照度成正比. 1.1.3.23.2光電二極管和光電池光電二極管和光電池 光電二極管的簡單使用 1.1.3.23.2光電二極管和光電池光電二極管和光電池 二、光電池 硅光電池是一種將光能

20、直接轉換成電能 的半導體器件，又叫太陽能電池。 光電池控制電路 當光電池PC1、PC2受到 光照射而產生電勢時， 單向晶閘管SK導通， 若開關K1合，則此時便 有9V直流電壓加于負 載上。 1.1.3.3 3.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 一、發(fā)光二極管 發(fā)光二極管LED是一種將電能轉換成光 能的特殊二極管,常用作顯示器件。 發(fā)光二極管的代表符號 1.1.3.3 3.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 發(fā)光二極管應用電路（一 ） 1.1.3.3 3.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 發(fā)光二極管應用電路（二 ） 1.1.4 4 半導體二極管的應用半導體二極管的應用 1.4.1 整流電路 1.4.2 檢波電路 1.4.3 限幅電路 1.4.4 鉗位電路 1.1.4.1 4.1 整流電路整流電路 將交流電轉換成單向脈動直流電的過程 稱為整流。 二極管半波整流電路 1.1.4.2 4.2 檢波電路檢波電路 在接收機中，將低頻信號從高頻調制信 號中檢取出來的過程，稱為檢波.基本工作原 理就是利用二極管的單向導電性和電容兩 端的電壓不能突變的特性。 1.1.4.3 4.3 限幅電路限幅電路 將輸出電壓的電平限制在預置的電平范 圍內，用于限制輸入信