第2章 半导体二极管及其应用B

第2章半导体二极管及其应用2.1 教学基本要求2.2 重点和难点一、重点1．理解PN结的形成和特点。

2．理解PN结的单向导电性、半导体二极管的伏安特性。

二、难点1．正确理解PN结的组成及其工作原理。

2．正确理解二极管(包括稳压管)的伏安特性和特点。

2.3 知识要点什么是半导体N型和P型半导体1．半导体与PN结PN结的形成PN结的单向导电性PN结的伏安特性二极管的结构及分类二极管的伏安特性2．半导体二极管及其应用主要参数等效电路二极管的应用稳压二极管3．特殊二极管发光二极管光电二极管2.4 主要内容2.4.1 半导体及其特性半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称为半导体，典型的半导体材料有硅（Si ）、锗（Ge ）、硒（Se ）、砷化镓（GaAs ）及许多金属氧化物和金属硫化物等。

半导体具有以下特性： （1）热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性制成热敏电阻。

（2）光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光敏器件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。

（3）杂敏特性：当在纯净的半导体中掺入微量的其它杂质元素(如磷、硼等)时，其导电能力会显著增加，利用这个特性制成半导体器件，如半导体二极管、半导体三极管、场效应管、晶闸管等等。

2.4.2 本征半导体1．本征半导体具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。

最常用的半导体材料为硅（Si ）和锗（Se ）。

2．半导体的共价键结构在硅或锗的本征半导体中，由于原子排列的整齐和紧密，原来属于某个原子的价电子，可以和相邻原子所共有，形成共价键结构。

图2-1所示为硅和锗共价键的(平面)示意图。

3．载流子在绝对零度和未获得外加能量时，半导体不具备导电能力。

但由于共价键中的电子为原子核最外层电子，在温度升高或者外界供给能量下最外层电子容易被热激发成为自由电子，如图2-2所示。

共价键失去电子后留下的空位称为空穴，电子和空穴成对出现，称为载流子。

空穴参与导电是半导体导电的特点，也是与导体导电最根本的区别。

2.4.3 N 型半导体和P 型半导体为了提高本征半导体导电能力，应增加载流子的数目，在本征半导体中掺入微量的其它元素（称为掺杂），形成杂质半导体。

1．N 型半导体如果在硅或锗的本征半导体中掺入微量的5价元素（如磷）后，其自由电子数目远远大于空穴数目，故这种半导体称为N 型电子半导体，简称N 型半导体。

N 型半导体中自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子），磷原子称为施主杂质。

而且多数载流子决定于掺杂浓度，少数载流子取决于温度。

图2-1 共价键结构示意图图2-2 自由电子和空穴的形成第2章 半导体二极管及其应用2．P 型半导体如果在硅或锗的本征半导体中掺入微量的3价硼（B ）元素，则形成P 型半导体。

在P 型半导体中，空穴的数量远远大于自由电子数，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，故P 型半导体也称为空穴半导体，硼原子也称为受主杂质。

无论是N 型半导体还是P 型半导体，尽管有一种载流子占多数，但整体上仍然是电中性的。

2.4.4 PN 结及其单向导电性 1. PN 结的形成利用特殊的制造工艺，在一块本征半导体（硅或锗）上，一边掺杂成N 型半导体，一边形成P 型半导体，这样在两种半导体的交界面就会形成一个空间电荷区，即PN 结。

由于PN 结的特殊性质，使得它成为制成各种半导体器件的基础。

PN 结形成的示意图如图2-2所示。

2．工作原理由于两边载流子浓度的差异，P 型半导体中的“多子”空穴向N 型区扩散，而N 半导体中的“多子”自由电子向P 型区扩散。

在“多子”扩散到交界面附近时，自由电子和空穴相复合，在交界面附近只留下不能移动的带正负电的离子，形成一空间电荷区并形成内电场，使P 区的“少子”和N 区的“少子”空穴漂移。

扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN 结就形成了。

3．PN 结的单向导电性 1）PN 结外加正向电压如图2-3所示电路图，P 区接电源的正极、N 区接电源的负极，形成较大的扩散电流F I ，其方向是由P 区流向N 区，该电流称为正向电流。

在一定范围内，随着外加电压的增大正向电流也增大，称之为PN 结的正向导通，此时PN 结呈低电阻状态。

2．PN 结外加反向电压PN 结外加反向电压，即P 区接电源的负极、N 区接电源的正极，如图2-4所示。

此时即在外电场的作用下，P 区的自由电子向N 区运动，N 区的空穴向P 区运动，形成反向电流R I ，其方向是由图 2-3 PN 结加正向电压图 2-4 PN 结加反向电压图 2-2 PN结的形成空穴自由电子N 区流向P 区。

由于少数载流子是由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚而产生的，数量很少，故形成的电流也很小，0R ≈I ，此时PN 反向截止，呈现高阻状态。

总之，当PN 结加正向电压时导通，呈低阻态，有较大的正向电流流过；当PN 结加反向电压时截止，呈高阻态，只有很小的反向电流（纳安级）流过。

PN 结的这种特性称为单向导电性。

2.5 半导体二极管2.5.1 二极管的结构、类型及符号将一个PN 结封装起来，引出两个电极，就构成半导体二极管，也称晶体二极管。

其电路中的表示符号如图2-5a 所示。

二极管的外形如图2-5b 所示。

二极管按材料可分为硅二极管、锗二极管、砷化镓等；按工艺结构可分为点接触型、面接触型和平面型二极管。

点接触型的二极管的PN 结是由一根很细的金属丝和一块半导体通过瞬间大电流熔接在一起形成的，其结面积很小，故不能承受大电流和较高的反向电压，一般用于高频检波和开关电路。

面接触型的二极管的PN 结是用合金法或扩散法形成的，其结面积比较大，可以承受大电流。

但由于结面积大，其结电容也比较大，故工作频率低，一般用在低频整流电路。

2.5.2 二极管的伏安特性及主要性能参数 2.5.2.1二极管的伏安特性 1．正向特性：二极管的正向特性对应图2-6曲线的（1）段，此时二极管加正向电压，阳极电位高于阴极电位。

当正向电压较小时（小于开启电压），二极管并不导通。

硅材料的二极管开启电压约为0.5V ，锗材料的二极管开启电压约为0.1V 。

当正向电压足够大，超过开启电压后，内电场的作用被大大削弱，电流很快增加，二极管正向导通，此时硅二极管的正向导通压降在0.6~0.8V ，典型值取0.7V ；锗二极管的正向导通压降在0.1~0.3V ，典型值取0.2V 。

二极管正向导通时的电流和电压近似满足下式：)1(T /S D -=U u e I i （2－1）式中D i 为二极管通过的电流，u 为二极管两端的电压；U T 为温度电压当量，且q kT U /T =，其中k 为波耳兹曼常数，J/K 1038.123-⨯=k ，q 为电子电荷，C 1060.119-⨯=q ，T 为热力学温度，即绝对温度（300K ），室温下mV 26T =U ；S I 为二极管的反向饱和电流。

2．反向特性二极管的反向特性对应图2-6所示曲线的（2）段，此时二极管加反向电压，阳极电位低于阴极电位。

应注意到，硅管的反向电流要比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流一般小于0.1μA ，(a) 二极管的表示符号(b) 二极管的外型阳极阴极图2-5 半导体二极管(a)(b)阴极阴极阳极阳极图2-6 二极管伏安特性第2章 半导体二极管及其应用锗管约为几个微安。

3．击穿特性当二极管反向电压过高超过反向击穿电压时，二极管的反向电流急剧增加，对应图2-6图中的（3）段。

由于这一段电流大、电压高， PN 结消耗的功率很大，容易使PN 结过热烧坏，一般二极管的反向电压在几十伏以上。

2.5.2.2 主要性能参数1. 额定整流电流I F ：二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流值。

2. 最高反向工作电压U RM ：保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压3. 反向饱和漏电流S I ：二极管两端加反向电压时流过二极管的电流4. 直流电阻DDD I U R =：D R 的几何意义是静态工作点Q 点到原点的直线斜率的倒数。

5. 交流电阻QD DQDD d d d i u i u r =∆∆=：几何意义是二极管伏安特性曲线上Q 点处切线斜率的倒数。

6. 最高工作频率max f ：二极管正常工作时允许通过交流信号的最高频率7.反向恢复时间rr t ：二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近I S 时所需要的时间。

大功率开关管工作在高频开关状态时，反向恢复时间rr t 是二极管的一项重要指标。

2.5.2.3 二极管的等效模型及其应用 1.小信号模型当二极管外加正向偏置电压时，可得到其直流工作点Q ),(D D I U ，如图2-7a 所示，称为静态工作点。

在此基础上给二极管外加微小变化的信号D u u ∆=，则二极管的电压和电流将在其伏安特性曲线上Q 点附近变化，且变化范围较小，可近似认为是在特性曲线的线性范围之内变化，于是用过Q 点的切线代替微小变化的曲线，如图2-7a 中Q 点附近的小直角三角形所示，并由此将工作在低频小信号时的二极管等效成一个动态电阻QDDd i u r ∆∆=，同时用图2-7a 中的d r 表示的模型，称为二极管的小信号电路模型。

2.大信号模型二极管在许多情况下都是工作在大信号条件下(如整流二极管、开关二极管等)。

在大信号条件下，根据不同的精度要求，二极管可以用折线模型、恒压模型和理想模型来表示。

(1) 折线模型图2-7b 为二极管的折线模型。

该模型中考虑了二极管的开启电压th U ，当th D U u ≥时二极管才导通，且电流D i 与D u 成线性关系，直线的斜率为d d 1r g =，其中D D d I U r ∆∆=，当th D U u <时二极管截止，电流为零。

(2) 恒压降模型图2-7c 为二极管的恒压降模型。

当二极管的正向导通压降与外加电压相比不能忽略时，二极管正向导通可看成是恒压源（硅管典型值为0.7V ，锗管典型值为0.2V ），且不随电流变化而变化；截止时反向电流为零，做开路处理。

(3) 理想模型图2-7d 为二极管的理想模型。

在二极管的工作电压幅度较大时，认为可以忽略二极管的正向导通压降和反向饱和电流，即正偏时二极管导通电压为零，相当于开关闭合；反偏压时二极管截止电流为零，相当于开关断开。

2.6 特殊半导体二极管2.6.1 稳压管及其应用稳压管是一种由特殊工艺制成的面接触型硅二极管，其表示符号与伏安特性如图2-8所示。

稳压管工作时是在反向击穿区，并且在一定电流范围内（△I Z ），稳压管不会损坏。

由于稳压管的击穿是齐纳击穿，故稳压管也称为齐纳二极管。

由图2-8b 可以看出，稳压管加一定的反向电压击穿后，反向电流在很大范围内变化，管子两端的电压基本保持不变，这就是稳压管之所以稳压的原因。