1、12/24/2022第2章 半导体二极管12/24/2022本章基本要求 了解半导体的基本知识 熟悉二极管(PN结)的结构、工作原理、主要参数 掌握二极管的特点、伏安特性、应用电路及其分析方法。12/24/20222.1 半导体基础与半导体基础与PN结结 2.1.1 半导体及其特性半导体及其特性 一般金属电阻率为10-910-6cm，绝缘体的电阻率为10101020cm，半导体的电阻率为 10-3109cm。由于半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称为半导体。半导体具有以下特性：（1）热敏特性（2）光敏特性（3）杂敏特性 12/24/20222.1.2 本征半导体本征半导体 Ge图 2-1
2、 硅和锗的原子结构示意图(b)锗原子结构示意图 具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。晶体通常具有规则的几何形状，在空间中按点阵（晶格）排列。最常用的半导体材料为硅（Si）和锗（Se）。Si(a)硅原子结构示意图12/24/2022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2-2所示为硅和锗共价键的(平面)示意图。+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键图2-2 共价键结构示意图价电子硅或锗的原子核+4+4+4+4+4+4+4+4+4图2-3 自由电子和空穴的形成自由电子空穴价价电电子子共共价价键键空空穴
3、穴自自由由电电子子12/24/2022热激发、载流子 在温度升高或者外界供给能量下最外层电子容易获得能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，这种现象称为热激发，如图2-3所示。共价键失去电子后留下的空位称为空穴，显然具有空穴的原子带正电。本征半导体产生热激发时，电子和空穴成对出现。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子图2-4 空穴和自由电子的运动价电子填补空穴新的空穴 自由电子在电场作用下运动时，也会填补空穴，这种现象成为复合复合。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，故在一定温度下，载流子的热激发和复合达到动态平衡，载流子的数目维持在一定的数目。新新空空穴穴复复合合1
4、2/24/20222.1.3 N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体 为了提高其导电能力，应增加载流子的数目，在本征半导体中掺入微量的其他元素（称为掺杂），形成杂质半导体。若掺入微量的5价元素（如磷、砷、锑等），可大大提高自由电子浓度，这种杂质半导体称为N型半导体；若掺入微量的3价元素（如硼），则可增加空穴数目，这种杂质半导体称为P型半导体。+4+4+4+4+5+4+4+4+4未形成共价键的价电子图2-5 N型半导体结构示意图磷原磷原子核子核磷磷原原子子未形成共价键的电子未形成共价键的电子12/24/20222P型半导体型半导体 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
5、型半导体。如图2-6所示。由于硼原子核外有3个价电子，故只能和相邻的硅或锗的形成3个共价键，而第4个共价键中由于缺少一个电子形成空。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。+4+4+4+4+3+4+4+4+4未形成共价键的空穴图2-6 P型半导体结构示意图硼原子核硼原子硼原子未形成共价键的空穴未形成共价键的空穴12/24/20222.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 2.1.4.1 PN结的形成结的形成 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
6、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。图 2-8 PN结的形成N型半导体P型半导体多子少子多子少子空穴自由电子空间电荷区内电场图 2-9 PN结加正向电压N型半导体P型半导体PN结内电场方向外电场方向RUFI12/24/2022PN结外加电压时结外加电压时 1PN结外加正向电压结外加正向电压 如图2-9所示电路图，P区接电源的正极、N区接电源的负极。空间电荷区变窄，削弱了内电场，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流，其方向是由P区流向N区，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。正向电流包括两部分：空穴电流和自由电子电流。虽然两种不同极性的
7、电荷运动方向相反，但所形成的电流方向是一致的。12/24/20222PN结外加反向电压结外加反向电压 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2-10所示。外电场使得P区的空穴和N区的自由电子从空间电荷区边缘移开，使空间电荷区变宽，内电场增强，不利于多数载流子的扩散，而有利于少数载流子的漂移形成反向电流，其方向是由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，此时PN反向截止，呈现高阻状态。图 2-10 PN结加反向电压N型半导体P型半导体PN 结内电场方向外电场方向RURI12/24/20222.2 半导体二极管
8、半导体二极管 2.2.1 二极管的结构、类二极管的结构、类型及符号型及符号 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2-11a所示，二极管的外形如图2-11b所示。(a)二极管的表示符号(b)二极管的外型阳极阴极图2-11 半导体二极管(a)(b)阴极阴极阳极阳极12/24/2022二极管的结构示意图阳极引线阴极引线铝金属小球金锑合金底座N型硅PN结N型锗片触丝引线图 2-12 半导体二极管的结构示意图外壳(a)点接触型(b)面接触型(c)平面型阳极引线阴极引线N型硅P型硅(a)(b)(c)点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型12/
9、24/20222.2.2.1 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性就是二极管流过的电流i和两端电压u之间的关系。v/uO图2-13 二极管伏安特性(1)(2)硅管锗管RMU0.20.630201020406080mA/i1正向特性 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0.60.8V，典型值取0.7V；锗二极管的正向导通压降在0.10.3V，典型值取0.2V。)1e(T/SDUuIi（21）12/24/20222反向特性 二极管的反向特性对应图2-13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。在二极管
10、两端加反向电压时，其外加电场和内电场的方向一致，当反向电压小于反向击穿电压时，由图中可以看出，反向电流基本恒定，而且电流几乎为零，这是由少数载流子漂移运动所形成的反向饱和电流。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0.1A，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2-13图中的（3）段。由于这一段电流大、电压高，所以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。12/24/20222.2.2.2 主要性能参数 1额定整流电流IF 2最高反向工作电压URM 3反向饱和漏电流和最大
11、反向电流IRM 4直流电阻RD V/uOmA/iQ(b)交流电阻的几何意义DiDu图2-15 二极管的等效电阻DIDUDDDIUR V/uOmA/i(a)直流电阻的几何意义1Q2Q1DI1DU2DU2DI12/24/2022 5交流电阻 6最高工作频率 二极管最高工作频率为是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。QDDQDDdddiuiurl 7反向恢复时间 rrt 指二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IS时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开关状态时，反向恢复时间是二极管的一项重要指标。12/24/20222.2.3 二极管的等效模型及其应用二极管的等效模型及其应用
12、 1.小信号模型小信号模型 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2-16a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。V/uOmA/iQDiDuDIDUDuDidr代表符号(a)小信号模型QDDdiur12/24/20222.大信号模型大信号模型 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。V/uOmA/iDIDUthUdr代表符
13、号dgDUDI实际曲线(b)折线模型0mA/iV/uthU代表符号DuDiTU实际曲线(c)恒压降模型V/uOmA/iDu0Di0DuDu0Di0Du代表符号实际曲线(d)理想模型12/24/2022(1)折线模型折线模型 thDUuDiDudd1 rg DDdIUrthDUu 当时二极管才导通，且电流与成线性关系，直线的斜率为，其中，当时二极管截止，电流为零。(2)恒压降模型恒压降模型 图2-16c为二极管的折线模型。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
14、。(3)理想模型理想模型 图2-16d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。12/24/20222.3 特殊半导体二极管特殊半导体二极管 2.3.1 稳压管及其应用稳压管及其应用 稳压管是一种由特殊工艺制成的点接触型硅二极管，与普通二极管相比，其正向特性相似，而反向特性比较陡，其表示符号与伏安特性如图2-17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（IZ），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。V/uO
15、mA/i图2-17 稳压管的符号及伏安特性Uz正向特性反向特性(a)符号(b)伏安特性ZIZU12/24/2022稳压管的主要参数 1）稳定电压UZ 2）稳定电流IZ 3）最大稳定电流IZM 4）最大允许耗散功率PZM 5）动态电阻rZ 6）电压温度系数 ZZIUrZZZ1UUTu12/24/2022稳压管稳压电路在负载变化不大的场合，稳压管常用来做稳压电源，由于负载和稳压管并联，又称为并联稳压电源。稳压管在实际工作时要和电阻相配合使用，其电路如图2-18所示。RDZRLIUoUZU图2-18 稳压管稳压电路RIZIoILZZminZILZZMZIRUIUURRUIUU12/24/20222.
16、3.2 半导体光电器件半导体光电器件 1发光二极管 发光二极管也叫LED，它是由砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）等半导体制成的，因此不仅具有一般PN结的单向导电性，而且在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。故发光二极管工作时要加正向电压。12/24/2022（a）外形图2-19 发光二极管的外形和符号DRU（c）应用电路（b）电路符号12/24/20222.3.3 光电二极管光电二极管 光电二极管VD（也叫光敏二极管）是将光信号变成电信号的半导体器件
17、，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，在光电二极管的管壳上有一个能射入光线的窗口，窗口上镶着玻璃透镜，光线可通过透镜照射到管芯，而且PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，PN结的结深很浅，一般小于1m，这主要是为了提高光的转换效率。其外形和符号分别如图2-20a、b所示。12/24/2022图2-20 光电二极管的外形、符号及应用电路UVDUoVD(a)(b)(c)12/24/20222.3.4 变容二极管变容二极管 变容二极管VCD（Variable Capac
18、itance Diode）是利用外加反向电压改变二极管结电容容量的特殊二极管，与普通二极管相比，其结电容变化范围较大。电路符号和等效如图2-21所示，图2-21a所示为变容二极管符号，图2-21b所示为变容二极管的等效电路，其中R为半导体材料的等效电阻，电容C为变容二极管的等效结电容，其容量与加到变容二极管的反向电压有关，图2-21c所示为变容二极管的电容压控特性，是 时变容二极管的电容量。j0C0Du12/24/2022图2-21 变容二极管0DujCj0C(c)(a)VR(b)RC12/24/20222.3.5 快速二极管快速二极管 快速二极管的工作原理与普通二极管是相同的，但由于普通二极
19、管工作在开关状态下的反向恢复时间较长，约45ms，不能适应高频开关电路的要求。快速二极管主要应用于高频整流电路、高频开关电源、高频阻容吸收电路、逆变电路等，其反向恢复时间可达10ns。决定快速恢复二极管性能的重要参数之一是反向恢复时间 反向恢复时间的定义是，二极管从正向导通状态急剧转换到截止状态，从输出脉冲下降到零线开始，到反向电源恢复到最大反向电流的10所需要的时间，常用符号表示。普通快速恢复整流二极管的 为几百纳秒（），超快速恢复二极管的一般为几十纳秒，(超快速二极管的反向时间定义为小于100ns)。越小的快速恢复二极管的工作频率越高。高耐压超快恢复二极管的反向恢复时间 比低耐压的长，如耐
20、压200V以下的超快恢复二极管的典型反向恢复时间在 35ns，耐压600V的典型反向恢复时间约75ns，耐压1000V的超快恢复二极管的典型反向恢复时间约100160 ns。rrtrrtrrtrrt12/24/20222.4 半导体二极管的应用实例半导体二极管的应用实例 1整流电路 整流电路就是利用二极管单向导电性将方向双向交替变化的正弦波变换成单一方向脉动的直流电，如图 2-22 所示为半波整流电路及其输入输出波形。设二极管为理想二极管。在输入电压 u 正半周，二极管 D 导通，则输出电压uu o；在输入电压 u 负半周，二极管 D 截止，则输出电压0ou。uDRL图2-22 二极管整流电路(a)0u0ou(b)outt(a)电路(b)波形12/24/20222开关电路 DADBAB+5VF图2-23 二极管与门电路R12/24/20223限幅电路 例2-4图 双向限幅电路-5V5Vtt5Vouiu(b)-5V00把输出电压的最高电平限制在某一数值或某一范围内，称为限幅电路。R+-+-D1D25V5Viuou(a)
