第20讲第十章半导体及二极管(2010年新版).doc

第2篇 电子学
第10章 半导体及二极管
大纲要求：掌握二极管和稳压管特性、参数
了解载流子，扩散，漂移；PN结的形成及单向导电性
10.1 半导体的基本知识
10.1.1 本征半导体
本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，就同时在原来的共价键的相应位置上留下一个空位，这个空位称为空穴，空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以称它们为电子空穴对。
10.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著改变。根据掺入杂质的化合价不同，杂质半导体分为N型和P型两大类。
（1）N型半导体 在4价元素的硅（或锗）晶体中，掺入微量的5价元素磷（或砷、锑等）后，磷原子将散布于硅原子中，且替代了晶体点阵中某些位置上的硅原子。
通常，掺杂所产生的自由电子浓度远大于本征激发所产生的自由电子或空穴的浓度，所以杂质半导体的导电性能远超过本征半导体。显然，这种半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，所以称电子为多数载流子（majority carrier，简称多子），空穴为少数载流子（minority carrier，简称少子）。因为这种半导体的导电主要依靠电子，所以称为Ｎ型半导体或电子型半导体。
（2）P型半导体在硅（或锗）的晶体中掺入微量的3价元素硼（或铝、铟等）后，杂质原子也散布于硅原子中，且替代了晶体点阵中某些位置上的硅原子。
在这种半导体中，空穴是多子，自由电子是少子，它的导电主要依靠空穴，因此称为P型半导体或空穴型半导体。
10.1.3 半导体中的两种电流
（1）漂移电流：   自由电子和空穴在电场作用下的定向运动所形成的电流。
（2）扩散电流：同一种载流子从浓度高处向浓度地处扩散所形成的电流称为扩散电流。
10.1.4 PN结
（1）PN结的形成P区和N区交界面处形成的区域称为PN结。形成原因主要有以下三个：①载流子的浓度差引起多子的扩散 ；②复合使交界面形成空间电荷区 (耗尽层)③扩散和漂移达到动态平衡
（2）PN结的单向导电性加在PN结上的电压称为偏置电压。若P区接高电位，N区接低电位，称PN结外接正向电压或PN结正向偏置，简称正偏；反之，称PN结外接反向电压或PN结反向偏置，简称反偏。
结论：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。
10.2 半导体二极管
10.2.1 二极管的结构及类型
构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode)
符号：阳极（正极） 阴极（负极）
分类：1.根据材料   硅二极管、锗二极管
2.根据结构   点接触型、PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路
面接触型：PN结面积大，用于低频大电流整流电路
平面型：
10.2.2 半导体二极管的伏安特性
二极管由一个PN结构成，具有单向导电性。 当外加正向电压小于Uth时，外电场不足以克服PN结的内电场对多子扩散运动造成的阻力，正向电流几乎为零，二极管呈现为一个大电阻，好像有一个门坎，因此将电压Uth称为门槛电压(又称死区电压)。
二极管电流iD随外加于二极管两端的电压uD的作用而变化的规律，称为二极管的伏安特性曲线。

如图所示：
根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示:

式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。
正向特性：u>0的部分称为正向特性，分两段：当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压；当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右
反向特性：u<0的部分称为反向特性。当VBR＜V＜0时，（绝对值）反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。
反向击穿：当V≥VBR时，（绝对值）反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。雪崩击穿 齐纳击穿势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。

10.2.3 二极管的主要参数
1、最大整流电流 IF：是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结要引起管子发热，电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。例如2APl最大整流电流为16mA。
2、反向击穿电压 VBR：指管子反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。例如2APl最高反向工作电压规定为2OV， 而反向击穿电压实际上大于40V。
3、反向电流 IR：指管子末击穿时的反向电流， 其值愈小，则管子的单向导电性愈好。由于温度增加，反向电流会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。
4、极间电容 CJ：二极管的极间电容包括势垒电容和扩散电容，在高频运用时必须考虑结电容的影响。二极管不同的工作状态，其极间电容产生的影响效果也不同。
　　二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号管子参数。使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则将容易损坏管子
10.2.4 二极管电路的模型分析法
（1）理想模型--理想的开关　

图中表示理想二极管的VI特性和符号，其中的虚线表示实际二极管的VI特性。由图中可见，在正向偏置时，其管压降为OV，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的。
（2）恒压模型--其正向压降为0.7V(硅管)　

这个模型如图所示，其基本思想是当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V，不过，这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。该模型提供了合理的近似，因此应用也较广。
（3）折线模型
外加电压远大于二极管的导通电压UD(on)时,忽略UD(on)的影响,将二极管的特性曲线用从坐标原点出发的两段折线逼近,称为二极管的折线模型.

（4）微变等效模型 二极管对应交流等效电阻表示，其值与静态工作点有关
10.3 稳压二极管
10.3.1 稳压原理及特性
稳压二极管的特性曲线与普通二极管基本相似，只是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。　　　　
稳压二极管的正常工作范围，是在伏安特性曲线上的反向电流开始突然上升的A、B段。 这一段的电流， 对于常用的小功率稳压管来讲，一般为几毫安至几十毫安。

10.3.2 主要电参数
(1) 稳定电压VZ ：在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。 (2) 动态电阻rZ rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =DVZ /DIZ
(3) 最大耗散功率
(4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin
(5)稳定电压温度系数——aVZ
温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当êVZ ê ＞6V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。
当êVZ ê＜4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。
当4 V＜êVZ ê ＜6 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。

第六段例题：
1. 设本题图所示各电路中的二极管性能均为理想。试判断各电路中的二极管是导通还是截止，并求出A、B两点之间的电压ＵAB值。

解：
　　在图电路中，当二极管开路时，由图可知二极管D1、D2两端的正向电压分别为10V和25V。二极管D2两端的正向电压高于D1两端的正向电压，二极管D2优先导通。当二极管D2导通后，UAB=－15V，二极管 D1两端又为反向电压。故D1截止、D2导通。UAB=－15V。
2.电路如图（a）所示。设输入信号，，二极管导通压降可以忽略不计
试分别画出输出电压的波形。

图 (a)
解
在图（a）所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压等于。所以
当时，二极管截止，
当时，二极管导通，
由此画出输出电压的波形如图（b）所示。

图 (b)

3. 硅稳压管稳压电路如图所示。其中硅稳压管DZ的稳定电压UZ=8V、动态电阻rZ可以忽略，UI=20V。试求：
     (1)  UO、IO、I及IZ的值；
     (2)  当UI降低为15V时的UO、IO、I及IZ值。

【解题过程】
(1)  由于
＞UZ
稳压管工作于反向电击穿状态，电路具有稳压功能。故UO=UZ=8V

IZ= I－IO=6－4=2 mA
(2)  由于这时的
＜UZ
稳压管没有被击穿，稳压管处于截止状态。故

IZ=0

图1．8

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