第二章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

1、1第二章第二章 半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電路半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電路 2022-5-322022-5-33 半導(dǎo)體半導(dǎo)體( (semiconductor) )器件是在器件是在20世紀(jì)世紀(jì)50年代初發(fā)展起來年代初發(fā)展起來的器件，由于具有體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、的器件，由于具有體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于家電、汽車、計算機(jī)及功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于家電、汽車、計算機(jī)及工控技術(shù)等眾多領(lǐng)域，被人們視為現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)。工控技術(shù)等眾多領(lǐng)域，被人們視為現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)。 這一章的任務(wù)就是讓學(xué)習(xí)者在了解半導(dǎo)體的特殊性能、這一章的任務(wù)就是

2、讓學(xué)習(xí)者在了解半導(dǎo)體的特殊性能、PN結(jié)結(jié)( (PN junction) )的形成及其單向?qū)щ娦缘幕A(chǔ)上，進(jìn)一步認(rèn)識的形成及其單向?qū)щ娦缘幕A(chǔ)上，進(jìn)一步認(rèn)識半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管這些半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管這些半導(dǎo)體器件。 通過對這些半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及特通過對這些半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及特性參數(shù)等方面的剖析，掌握二極管、三極管等半導(dǎo)體器件的結(jié)性參數(shù)等方面的剖析，掌握二極管、三極管等半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)特點和工作原理；在技術(shù)能力上掌握正確測試半導(dǎo)體器件的構(gòu)特點和工作原理；在技術(shù)能力上掌握正確測試半導(dǎo)體器件的好壞及極性的判別方法，并能看懂由這些半導(dǎo)體器

3、件作為核心好壞及極性的判別方法，并能看懂由這些半導(dǎo)體器件作為核心元件構(gòu)成的簡單電子線路圖，初步掌握一些元件構(gòu)成的簡單電子線路圖，初步掌握一些EWB電路仿真技能。電路仿真技能。 2022-5-34 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但是卻半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但是卻能夠引起人們的極大興趣，這與半導(dǎo)體材料本身存在的一些獨能夠引起人們的極大興趣，這與半導(dǎo)體材料本身存在的一些獨特性能是分不開的。特性能是分不開的。 溫度升高，大多數(shù)半導(dǎo)體的電阻率下降。溫度升高，大多數(shù)半導(dǎo)體的電阻率下降。由于半導(dǎo)體的電阻率對溫度特別靈敏，利用這種特性就可以做由于半導(dǎo)體的電阻率對溫度特別靈敏

4、，利用這種特性就可以做成各種熱敏元件。成各種熱敏元件。 許多半導(dǎo)體受到光照輻射，電阻率下降。許多半導(dǎo)體受到光照輻射，電阻率下降。利用這種特性可制成各種光電元件。利用這種特性可制成各種光電元件。 在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的某種雜質(zhì)后，在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的某種雜質(zhì)后，它的導(dǎo)電能力就可增加幾十萬甚至幾百萬倍。利用這種特性就它的導(dǎo)電能力就可增加幾十萬甚至幾百萬倍。利用這種特性就可制成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如半導(dǎo)體二極管、三極管可制成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如半導(dǎo)體二極管、三極管晶閘管、場效應(yīng)管等。晶閘管、場效應(yīng)管等。2022-5-35 在半導(dǎo)體物質(zhì)中，目前用得最多的材料是在半導(dǎo)體物質(zhì)中，目

5、前用得最多的材料是硅和鍺。在硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)中，最外層電子硅和鍺。在硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)中，最外層電子的數(shù)目都是的數(shù)目都是4個，個，因此被成為四價元素，因此被成為四價元素，如圖如圖2-1所示。所示。 天然的硅和鍺材料是不能制成天然的硅和鍺材料是不能制成半導(dǎo)體器件的，必須經(jīng)過高度提純半導(dǎo)體器件的，必須經(jīng)過高度提純工藝將它們提煉成純凈的單晶體。工藝將它們提煉成純凈的單晶體。單晶體的晶格結(jié)構(gòu)是完全對稱，原單晶體的晶格結(jié)構(gòu)是完全對稱，原子排列得非常整齊，故常稱為晶體，子排列得非常整齊，故常稱為晶體，就是我們所說的本征半導(dǎo)體其平面就是我們所說的本征半導(dǎo)體其平面示意圖如圖示意圖如圖2-2所示。所示。 2022

6、-5-36 當(dāng)溫度上升或受光照時，共價鍵中的一些價電子以熱運(yùn)動的當(dāng)溫度上升或受光照時，共價鍵中的一些價電子以熱運(yùn)動的形式不斷從外界獲得一定的能量，少數(shù)價電子因獲得的能量較大，形式不斷從外界獲得一定的能量，少數(shù)價電子因獲得的能量較大，而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，同時在原來的共價鍵的相而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，同時在原來的共價鍵的相應(yīng)位置上留下一個空位，叫空穴。如圖應(yīng)位置上留下一個空位，叫空穴。如圖2-3所示。所示。 如圖所示的如圖所示的A處為空穴，處為空穴，B處為自由電子，顯然，自由處為自由電子，顯然，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，電子和空穴是成對出現(xiàn)的，所以稱它們?yōu)樗苑Q它們?yōu)殡娮?/p>

7、電子空穴對空穴對。把在光或熱的作用下，本征把在光或熱的作用下，本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子空穴對空穴對的現(xiàn)象，叫本征激發(fā)。的現(xiàn)象，叫本征激發(fā)。 2022-5-37 在四價元素晶體中摻入微量的五價元素，由于這種雜質(zhì)原子在四價元素晶體中摻入微量的五價元素，由于這種雜質(zhì)原子能放出電子，因此稱為能放出電子，因此稱為“施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)”。顯然摻入的雜質(zhì)越多，雜。顯然摻入的雜質(zhì)越多，雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能越好，這種摻雜所產(chǎn)生的自由電子濃度遠(yuǎn)大質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能越好，這種摻雜所產(chǎn)生的自由電子濃度遠(yuǎn)大于本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子于本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子空穴對的濃度，所以雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)空穴對的濃度，所以雜質(zhì)半導(dǎo)體

8、的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)超過本征半導(dǎo)體。電性能遠(yuǎn)超過本征半導(dǎo)體。 在四價晶體中摻入微量的三價元素，三價原子在與四價原在四價晶體中摻入微量的三價元素，三價原子在與四價原子組成共價鍵時，因缺少一個電子而產(chǎn)生一個空穴。由于這種子組成共價鍵時，因缺少一個電子而產(chǎn)生一個空穴。由于這種雜質(zhì)原子能吸收電子，因此稱為雜質(zhì)原子能吸收電子，因此稱為“受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)”。在這種雜質(zhì)半。在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度，空穴為多子，自由電導(dǎo)體中，空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度，空穴為多子，自由電子為少子。因為這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要依靠空穴，而空穴帶正子為少子。因為這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要依靠空穴，而空穴帶正電荷，所以稱其為電

9、荷，所以稱其為P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（P-type semiconductor）或空穴型或空穴型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。 2022-5-38需要指出的是：需要指出的是： 不論是不論是N型還是型還是P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但多出的載流子數(shù)目與雜質(zhì)離子所帶的電荷數(shù)目始終相平衡，即但多出的載流子數(shù)目與雜質(zhì)離子所帶的電荷數(shù)目始終相平衡，即整塊雜質(zhì)半導(dǎo)體既沒有失去電子，也沒有得到電子，整個晶體仍整塊雜質(zhì)半導(dǎo)體既沒有失去電子，也沒有得到電子，整個晶體仍然呈中性。然呈中性。 為突出雜質(zhì)半導(dǎo)體的主要特征，在畫為突出雜質(zhì)半導(dǎo)體的主要特征，在畫P型或型或N型型半導(dǎo)體時，半導(dǎo)

10、體時，常常只畫多子和離子成對出現(xiàn)，如圖常常只畫多子和離子成對出現(xiàn)，如圖2-4所示。所示。 一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子數(shù)量的數(shù)載流子數(shù)量的10001000倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將強(qiáng)上幾十萬倍。比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將強(qiáng)上幾十萬倍。2022-5-39 半導(dǎo)體中有電子和空穴這兩種載流子，當(dāng)這些載流子作定向半導(dǎo)體中有電子和空穴這兩種載流子，當(dāng)這些載流子作定向運(yùn)動時就形成電流。半導(dǎo)體中的載流子運(yùn)動有漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)運(yùn)動時就形成電流。半導(dǎo)體中的載流子運(yùn)動

11、有漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動兩種方式，相應(yīng)地也就有漂移電流和擴(kuò)散電流這兩種電流。動兩種方式，相應(yīng)地也就有漂移電流和擴(kuò)散電流這兩種電流。 2022-5-310 若在若在PN結(jié)兩端接上外加電源，也就是結(jié)兩端接上外加電源，也就是PN結(jié)被偏置了。由于偏結(jié)被偏置了。由于偏置電壓的作用，動態(tài)平衡遭到破壞。置電壓的作用，動態(tài)平衡遭到破壞。PN結(jié)將顯示出其單向?qū)щ姷慕Y(jié)將顯示出其單向?qū)щ姷男阅埽阅?，PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，是?gòu)成半導(dǎo)體器件的主要工作機(jī)理。結(jié)的單向?qū)щ娦?，是?gòu)成半導(dǎo)體器件的主要工作機(jī)理。 此時，外部電場的方此時，外部電場的方向是從向是從P區(qū)指向區(qū)指向N區(qū)，顯然與內(nèi)電場的區(qū)，顯然與內(nèi)電場的方向相反，結(jié)果使空間

12、電荷區(qū)變窄，方向相反，結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場被削弱。內(nèi)電場的削弱使多數(shù)內(nèi)電場被削弱。內(nèi)電場的削弱使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動得以增強(qiáng)，形成較載流子的擴(kuò)散運(yùn)動得以增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流（有多子的定向移動形大的擴(kuò)散電流（有多子的定向移動形成，即所謂常稱的電流）。在一定范成，即所謂常稱的電流）。在一定范圍內(nèi)，外電場越強(qiáng)，正向電流越大，圍內(nèi)，外電場越強(qiáng)，正向電流越大，PN結(jié)對正向電流呈低電阻狀態(tài)，這種結(jié)對正向電流呈低電阻狀態(tài)，這種情況就稱為情況就稱為PN結(jié)正向?qū)?。結(jié)正向?qū)āN結(jié)的結(jié)的正向?qū)ㄗ饔迷韴D如圖正向?qū)ㄗ饔迷韴D如圖2-6所示。所示。 2022-5-311 2022-5-312 20

13、22-5-313 2022-5-314 2022-5-315 2022-5-316 2022-5-317 4）最高工作頻率）最高工作頻率 Mf5）二極管使用注意事項）二極管使用注意事項 1）直流電阻）直流電阻DDDIURDRQDR 2022-5-3192）交流電阻（動態(tài)電阻）交流電阻（動態(tài)電阻） drtgIUr1ddrQdrIIUgrmV261TddK300T 圖2-12 理想模型 a)U-I 特性 b)、c)符號及等效模型2022-5-321 圖2-13 小信號模型 a)U-I 特性 b)電路符號2022-5-322圖2-14 小信號模型 2022-5-323 V6S1UV3140sin2

14、. 0s2tu k1SR圖2-172022-5-324 0s2uDImA3 . 5k1V)7 . 06(SFS1DRUUI 9 . 45.3mAmV26mV26DdIr 0S1UdimA3140sin2 . 0k)109 . 41 (V3140sin2 . 03dDs2dttrRuimA)3124sin2 . 03 . 5(dDDtiIi2022-5-325 0s2uDImA3 . 5k1V)7 . 06(SFS1DRUUI 9 . 45.3mAmV26mV26DdIr 0S1UdimA 3140sin2 . 0k)109 . 41 (V3140sin2 . 03dDs2dttrRuimA)3

15、140sin2 . 03 . 5(dDDtiIi2022-5-326 ZUZmaxI2022-5-327 ZmaxI ZI ZUZmP Zr ZU2022-5-328 2022-5-329 2022-5-3302022-5-331 2022-5-332 tUu sin222 2u)0( sin222OttUuu 2u )2( sin222VDttUuu2022-5-333 L2LOO45. 0RURUI202202O222)(sin221)(21UttdUtduU2022-5-334DILIODFIII2RM2UU 2022-5-335 2u2uD1iLRD2iLR 2022-5-33622O

16、9 . 022UUUL2O9 . 0RUI DILILD2D1F21IIII 22UUUU22DMRM 2022-5-338 2uLRLR2u 2022-5-339 22O9 . 022UUUL2D45. 0RUI2u2DRM2UU OF21II 2RM2UU2022-5-340 2022-5-3412O45. 0UUL2LOO45. 0RURUIODFIII2RM2UU2022-5-342 2O9 . 0 UUL2LOO9 . 0RURUI2/ODFIII2RM22UU2022-5-3432O9 . 0 UUL2LOO9 . 0RURUI2/ODFIII2RM2UU 697頁 泛讀應(yīng)用二：自動感應(yīng)節(jié)能燈電路應(yīng)用二：自動感應(yīng)節(jié)能燈電路自動感應(yīng)節(jié)能燈電路 2022-5-349直流分量的幅值負(fù)載上最低次諧波分量S 直流分量效值負(fù)載上交流分量的總有 2022-5-350 2022-5-351 LROU為使濾波效果良好，一般取時間常數(shù)的值大一些，通常選取為使濾波效果良好，一般取時間常數(shù)的值大一些，通常選取2/)53(LTCR 考慮電網(wǎng)電壓的波動，電容考慮電網(wǎng)電壓的波動，電容C C的耐壓值可選為的耐壓值可選為（1.51.52 2）U22O(AV)0 . 1 UU2O(AV)2 . 1