第2章 半導(dǎo)體二極管

第2章半導(dǎo)體二極管2/5/2023本章基本要求了解半導(dǎo)體的基本知識熟悉二極管(PN結(jié))的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)掌握二極管的特點、伏安特性、應(yīng)用電路及其分析方法。2/5/20232.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)與PN結(jié)

2.1.1半導(dǎo)體及其特性

一般金屬電阻率為10-9～10-6Ω·cm，絕緣體的電阻率為1010～1020Ω·cm，半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109Ω·cm。由于半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，故稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體具有以下特性：（1）熱敏特性（2）光敏特性（3）雜敏特性

2/5/20232.1.2本征半導(dǎo)體

具有晶體結(jié)構(gòu)的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。晶體通常具有規(guī)則的幾何形狀，在空間中按點陣（晶格）排列。最常用的半導(dǎo)體材料為硅（Si）和鍺（Se）。

2/5/2023共價鍵結(jié)構(gòu)

在硅或鍺的本征半導(dǎo)體中，由于原子排列的整齊和緊密，原來屬于某個原子的價電子，可以和相鄰原子所共有，形成共價鍵結(jié)構(gòu)。圖2-2所示為硅和鍺共價鍵的(平面)示意圖。價電子共價鍵空穴自由電子2/5/2023熱激發(fā)、載流子

在溫度升高或者外界供給能量下最外層電子容易獲得能量掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，這種現(xiàn)象稱為熱激發(fā)，如圖2-3所示。共價鍵失去電子后留下的空位稱為空穴，顯然具有空穴的原子帶正電。本征半導(dǎo)體產(chǎn)生熱激發(fā)時，電子和空穴成對出現(xiàn)。

自由電子在電場作用下運動時，也會填補空穴，這種現(xiàn)象成為復(fù)合。在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不斷復(fù)合，故在一定溫度下，載流子的熱激發(fā)和復(fù)合達到動態(tài)平衡，載流子的數(shù)目維持在一定的數(shù)目。新空穴復(fù)合2/5/20232.1.3N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

為了提高其導(dǎo)電能力，應(yīng)增加載流子的數(shù)目，在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其他元素（稱為摻雜），形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。若摻入微量的5價元素（如磷、砷、銻等），可大大提高自由電子濃度，這種雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體；若摻入微量的3價元素（如硼），則可增加空穴數(shù)目，這種雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。

磷原子未形成共價鍵的電子2/5/20232．P型半導(dǎo)體

如果在硅或鍺的本征半導(dǎo)體中摻入微量的3價硼（B）元素，則形成P型半導(dǎo)體。如圖2-6所示。由于硼原子核外有3個價電子，故只能和相鄰的硅或鍺的形成3個共價鍵，而第4個共價鍵中由于缺少一個電子形成空。P型半導(dǎo)體中，空穴的數(shù)量遠遠大于自由電子數(shù)，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子，故P型半導(dǎo)體也稱為空穴半導(dǎo)體，硼原子也稱為受主雜質(zhì)。硼原子未形成共價鍵的空穴2/5/20232.1.4PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

2.1.4.1PN結(jié)的形成

利用特殊的制造工藝，在一塊本征半導(dǎo)體（硅或鍺）上，一邊摻雜成N型半導(dǎo)體，一邊形成P型半導(dǎo)體，這樣在兩種半導(dǎo)體的交界面就會形成一個空間電荷區(qū)，即PN結(jié)。

2/5/2023PN結(jié)外加電壓時

1．PN結(jié)外加正向電壓

如圖2-9所示電路圖，P區(qū)接電源的正極、N區(qū)接電源的負極?？臻g電荷區(qū)變窄，削弱了內(nèi)電場，多數(shù)載流子的擴散運動增強，形成較大的擴散電流，其方向是由P區(qū)流向N區(qū)，隨著外加電壓的增大正向電流也增大，稱之為PN結(jié)的正向?qū)?。正向電流包括兩部分：空穴電流和自由電子電流。雖然兩種不同極性的電荷運動方向相反，但所形成的電流方向是一致的。2/5/20232．PN結(jié)外加反向電壓

PN結(jié)外加反向電壓，即P區(qū)接電源的負極、N區(qū)接電源的正極，如圖2-10所示。外電場使得P區(qū)的空穴和N區(qū)的自由電子從空間電荷區(qū)邊緣移開，使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場增強，不利于多數(shù)載流子的擴散，而有利于少數(shù)載流子的漂移形成反向電流，其方向是由N區(qū)流向P區(qū)。由于少數(shù)載流子是由于價電子獲得能量掙脫共價鍵的束縛而產(chǎn)生的，數(shù)量很少，故形成的電流也很小，此時PN反向截止，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。2/5/20232.2半導(dǎo)體二極管

2.2.1二極管的結(jié)構(gòu)、類型及符號將一個PN結(jié)封裝起來，引出兩個電極，就構(gòu)成半導(dǎo)體二極管，也稱晶體二極管。其電路中的表示符號如圖2-11a所示，二極管的外形如圖2-11b所示。2/5/2023二極管的結(jié)構(gòu)示意圖點接觸型面接觸型平面型2/5/20232.2.2.1二極管的伏安特性

二極管的伏安特性就是二極管流過的電流i和兩端電壓u之間的關(guān)系。1．正向特性

當(dāng)正向電壓足夠大，超過開啟電壓后，內(nèi)電場的作用被大大削弱，電流很快增加，二極管正向?qū)?，此時硅二極管的正向?qū)▔航翟?.6~0.8V，典型值取0.7V；鍺二極管的正向?qū)▔航翟?.1~0.3V，典型值取0.2V。

（2－1）2/5/20232．反向特性

二極管的反向特性對應(yīng)圖2-13曲線的（2）段，此時二極管加反向電壓，陽極電位低于陰極電位。

在二極管兩端加反向電壓時，其外加電場和內(nèi)電場的方向一致，當(dāng)反向電壓小于反向擊穿電壓時，由圖中可以看出，反向電流基本恒定，而且電流幾乎為零，這是由少數(shù)載流子漂移運動所形成的反向飽和電流。硅管的反向電流要比鍺管小得多，小功率硅管的反向飽和電流一般小于0.1μA，鍺管約為幾個微安。

3．擊穿特性

當(dāng)二極管反向電壓過高超過反向擊穿電壓時，二極管的反向電流急劇增加，對應(yīng)圖2-13圖中的（3）段。由于這一段電流大、電壓高，所以PN結(jié)消耗的功率很大，容易使PN結(jié)過熱燒壞，一般二極管的反向電壓在幾十伏以上。2/5/20232.2.2.2主要性能參數(shù)

1．額定整流電流IF

2．最高反向工作電壓URM

3．反向飽和漏電流和最大反向電流IRM

4．直流電阻RD2/5/20235．交流電阻

6．最高工作頻率

二極管最高工作頻率為是指二極管正常工作時，允許通過交流信號的最高頻率。

7．反向恢復(fù)時間

指二極管由導(dǎo)通突然反向時，反向電流由很大衰減到接近IS時所需要的時間。大功率開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時，反向恢復(fù)時間是二極管的一項重要指標(biāo)。

2/5/20232.2.3二極管的等效模型及其應(yīng)用

1.小信號模型

二極管外加微小變化的信號二極管的電壓和電流將在其伏安特性曲線上Q點附近變化，且變化范圍較小，可近似認(rèn)為是在特性曲線的線性范圍之內(nèi)變化，于是用過Q點的切線代替微小變化的曲線，如圖2-16a中Q點附近的小直角三角形所示，并由此將工作在低頻小信號時的二極管等效成一個動態(tài)電阻。，同時用圖2-16a中的2/5/20232.大信號模型

二極管在許多情況下都是工作在大信號條件下(如整流二極管、開關(guān)二極管等)。在大信號條件下，根據(jù)不同的精度要求，二極管可以用折線模型、恒壓模型和理想模型來表示。2/5/2023(1)折線模型

當(dāng)時二極管才導(dǎo)通，且電流與成線性關(guān)系，直線的斜率為，其中，當(dāng)時二極管截止，電流為零。

(2)恒壓降模型

圖2-16c為二極管的折線模型。當(dāng)二極管的正向?qū)▔航蹬c外加電壓相比不能忽略時，二極管正向?qū)煽闯墒呛銐涸矗ü韫艿湫椭禐?.7V，鍺管典型值為0.2V），且不隨電流變化而變化；截止時反向電流為零，做開路處理。

(3)理想模型

圖2-16d為二極管的理想模型。在二極管的工作電壓幅度較大時，認(rèn)為可以忽略二極管的正向?qū)▔航岛头聪蝻柡碗娏?，即正偏時二極管導(dǎo)通電壓為零，相當(dāng)于開關(guān)閉合；反偏壓時二極管截止電流為零，相當(dāng)于開關(guān)斷開。

2/5/20232.3特殊半導(dǎo)體二極管

2.3.1穩(wěn)壓管及其應(yīng)用

穩(wěn)壓管是一種由特殊工藝制成的點接觸型硅二極管，與普通二極管相比，其正向特性相似，而反向特性比較陡，其表示符號與伏安特性如圖2-17所示。穩(wěn)壓管工作時是在反向擊穿區(qū)，并且在一定電流范圍內(nèi)（△IZ），穩(wěn)壓管不會損壞。由于穩(wěn)壓管的擊穿是齊納擊穿，故穩(wěn)壓管也稱為齊納二極管。2/5/2023穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

1）穩(wěn)定電壓UZ

2）穩(wěn)定電流IZ

3）最大穩(wěn)定電流IZM

4）最大允許耗散功率PZM

5）動態(tài)電阻rZ

6）電壓溫度系數(shù)2/5/2023穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路在負載變化不大的場合，穩(wěn)壓管常用來做穩(wěn)壓電源，由于負載和穩(wěn)壓管并聯(lián)，又稱為并聯(lián)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管在實際工作時要和電阻相配合使用，其電路如圖2-18所示。

2/5/20232.3.2半導(dǎo)體光電器件

1．發(fā)光二極管

發(fā)光二極管也叫LED，它是由砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷砷化鎵（GaAsP）等半導(dǎo)體制成的，因此不僅具有一般PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，而且在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。故發(fā)光二極管工作時要加正向電壓。

2/5/2023（a）外形圖2-19發(fā)光二極管的外形和符號（c）應(yīng)用電路（b）電路符號2/5/20232.3.3光電二極管

光電二極管VD（也叫光敏二極管）是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點。它的核心部分也是一個PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，在光電二極管的管殼上有一個能射入光線的窗口，窗口上鑲著玻璃透鏡，光線可通過透鏡照射到管芯，而且PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1μm，這主要是為了提高光的轉(zhuǎn)換效率。其外形和符號分別如圖2-20a、b所示。

2/5/20232/5/20232.3.4變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管VCD（Variable－CapacitanceDiode）是利用外加反向電壓改變二極管結(jié)電容容量的特殊二極管，與普通二極管相比，其結(jié)電容變化范圍較大。電路符號和等效如圖2-21所示，圖2-21a所示為變?nèi)荻O管符號，圖2-21b所示為變?nèi)荻O管的等效電路，其中R為半導(dǎo)體材料的等效電阻，電容C為變?nèi)荻O管的等效結(jié)電容，其容量與加到變?nèi)荻O管的反向電壓有關(guān)，圖2-21c所示為變?nèi)荻O管的電容壓控特性，是時變?nèi)荻O管的電容量。2/5/20232/5/20232.3.5快速二極管

快速二極管的工作原理與普通二極管是相同的，但由于普通二極管工作在開關(guān)狀態(tài)下的反向恢復(fù)時間較長，約4～5ms，不能適應(yīng)高頻開關(guān)電路的要求?？焖俣O管主要應(yīng)用于高頻整流電路、高頻開關(guān)電源、高頻阻容吸收電路、逆變電路等，其反向恢復(fù)時間可達10ns。決定快速恢復(fù)二極管性能的重要參數(shù)之一是反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間的定義是，二極管從正向?qū)顟B(tài)急劇轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)，從輸出脈沖下降到零線開始，到反向電源恢復(fù)到最大反向電流的10％所需要的時間，常用符號表示。普通快速恢復(fù)整流二極管的為幾百納秒（ｓ），超快速恢復(fù)二極管的一般為幾十納秒，(超快速二極管的反向時間定義為小于100ns