半導(dǎo)體二極管及其基本電路

第1章半導(dǎo)體二極管及其根本電路

半導(dǎo)體的根本知識(shí)半導(dǎo)體二極管及其根本特性二極管的根本應(yīng)用電路1.1半導(dǎo)體根本知識(shí)在自然界中，根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力的差異，可將它們劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。如：金屬如：橡膠、陶瓷、塑料和石英等等其中最典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素典型的半導(dǎo)體材料

元素 硅〔Si〕、鍺〔Ge〕化合物 砷化鎵〔GaAs〕摻雜元素 硼〔B〕、磷〔P〕1.1.1半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，當(dāng)受外界光和熱刺激或參加微量摻雜,導(dǎo)電能力顯著增加。半導(dǎo)體特點(diǎn)：1)在外界能源的作用下，導(dǎo)電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。2)在純潔半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯著增加。二極管、三極管屬于此類。硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。硅原子和鍺原子的結(jié)構(gòu)GeSi+4半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。為方便起見，常表示如下：半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)圖+4+4+4+4共價(jià)鍵共用電子對(duì)共價(jià)鍵正離子核1.本征半導(dǎo)體定義：純潔的、不含其他雜質(zhì)的半導(dǎo)體。在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛其中，不能成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。+4+4+4+4T=0K時(shí)本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖：溫度升高后，本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖+4+4+4+4自由電子空穴+4+4+4+4這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。所謂本征激發(fā)，就是由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生電子—空穴對(duì)的過程。電子空穴對(duì)+4+4+4+4電子空穴對(duì)復(fù)合：與本征激發(fā)現(xiàn)象相反，即自由電子遇到空穴并填補(bǔ)空穴，從而使兩者同時(shí)消失的現(xiàn)象。在一定溫度下，本征激發(fā)與復(fù)合這二者產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)數(shù)目相等，到達(dá)一種動(dòng)態(tài)平衡。E＋－自由電子——帶負(fù)電荷，形成電子流兩種載流子空穴——視為帶正電荷，形成空穴流+4+4+4+4自由電子空穴電子流空穴流2.雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。因摻入雜質(zhì)性質(zhì)不同，可分為：空穴（P）型半導(dǎo)體電子（N）型半導(dǎo)體【Positive】【Negative】+4+4+3+4P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖在硅〔或鍺〕的晶體中摻入少量3價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。1.P型半導(dǎo)體空穴多數(shù)載流子〔多子〕—空穴；少數(shù)載流子〔少子〕－自由電子?？昭ǖ膩碓矗骸?〕本征激發(fā)產(chǎn)生〔少量的〕〔2〕摻入雜質(zhì)元素后多余出來的〔大量的〕+4+4+3+4P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖在硅〔或鍺〕的晶體中摻入少量3價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。1.P型半導(dǎo)體空穴多數(shù)載流子〔多子〕—空穴；少數(shù)載流子〔少子〕－自由電子。自由電子的來源：只有本征激發(fā)產(chǎn)生〔少量的〕多數(shù)載流子〔多子〕—自由電子；少數(shù)載流子〔少子〕—空穴。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖+4+4+5+4在硅〔或鍺〕的晶體中摻入少量5價(jià)雜質(zhì)元素，如磷，砷等。2.N型半導(dǎo)體多余的電子自由電子的來源：〔1〕本征激發(fā)產(chǎn)生〔少量的〕〔2〕摻入雜質(zhì)元素后多余出來的〔大量的〕多數(shù)載流子〔多子〕—自由電子；少數(shù)載流子〔少子〕—空穴。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖+4+4+5+4在硅〔或鍺〕的晶體中摻入少量5價(jià)雜質(zhì)元素，如磷，砷等。2.N型半導(dǎo)體多余的電子空穴的來源：只有本征激發(fā)產(chǎn)生〔少量的〕雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示方法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體少子濃度——只與溫度有關(guān)多子濃度——主要受摻入雜質(zhì)濃度的影響負(fù)離子空穴正離子自由電子P1-2相關(guān)概念半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間半導(dǎo)體特點(diǎn)：1)在外界能源的作用下，導(dǎo)電性能顯著變化。2)在純潔半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯著增加。本征激發(fā)，就是由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生電子—空穴對(duì)的過程。復(fù)合：與本征激發(fā)現(xiàn)象相反，即自由電子遇到空穴并填補(bǔ)空穴，從而使兩者同時(shí)消失的現(xiàn)象。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示方法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體少子濃度——只與溫度有關(guān)多子濃度——主要受摻入雜質(zhì)濃度的影響負(fù)離子空穴正離子自由電子1.1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成耗盡層PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)阻擋層+-由上可知，PN結(jié)中進(jìn)行著兩種載流子的運(yùn)動(dòng)：多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流稱為擴(kuò)散電流產(chǎn)生的電流稱為漂移電流P區(qū)空穴→N區(qū)N區(qū)電子→P區(qū)N區(qū)空穴→P區(qū)P區(qū)電子→N區(qū)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷杭措娫吹恼龢O接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)。PN結(jié)的這種接法稱為正向接法或正向偏置（簡稱正偏）。前提：只有在外加電壓時(shí)才會(huì)顯示出來PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++變?。瓋?nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)多子空穴多子電子IFVF正向電流I：擴(kuò)散電流PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++變薄＋－內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)IFVFI：擴(kuò)散電流內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流I。小結(jié)外加反向電壓即電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)。PN結(jié)的這種接法稱為反向接法或反向偏置（簡稱反偏）。PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)VR變厚IRI：漂移電流反向電流溫度一定時(shí)，反向電流IR趨于恒定值，稱為反向飽和電流IS。PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)VR變厚IRI：漂移電流小結(jié)內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流IR。歸納：

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)二極管實(shí)物認(rèn)識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管及其特性

二極管圖形符號(hào)、文字符號(hào)diodeD1正向特性

硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5~0.8V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.2~0.3V左右。

當(dāng)0＜V＜Vth時(shí)，正向電流為零，Vth稱死區(qū)電壓或開啟電壓。正向區(qū)分為兩段：

當(dāng)V＞Vth時(shí)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。1.2.2二極管的V-I特性當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)，反向電流很小，且根本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱反向飽和電流IS。

當(dāng)V≥VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。2,反向特性硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。3.反向擊穿特性

溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。4.溫度影響VthV（BR）vD/ViD/mAiD/μA環(huán)境溫度升高，二極管的正向特性曲線將左移，反向特性曲線下移。IF：最大整流電流1.2.3.二極管的參數(shù)指二極管長期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。VBR：反向擊穿電壓指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。一般手冊(cè)上給出的最大反向工作電壓約為VBR的一半。指管子未擊穿時(shí)的反向電流。其值愈小，則管子的單向?qū)щ娦杂?。溫度?duì)它影響很大，使用時(shí)應(yīng)注意。IR：反向電流1.3.1穩(wěn)壓二極管iZ/mAvZ/VVZΔIZΔVZV-I特性ak＋－代表符號(hào)VZ——表示反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。1.3二極管的應(yīng)用電路VIIZIO(IL)VO【分析】例如：假設(shè)VI恒定，而RL減小，那么有RL↓VZ穩(wěn)壓IO↑IZ不變IR↑VR↑VI恒定VO↓IZ↓IR↓VR↓VI恒定VO↑〔1〕應(yīng)使外加電源的正極接管子的N區(qū)，電源的負(fù)極接P區(qū)，以保證穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)【?。?！】?！?〕穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻RL并聯(lián)，由于穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量很小，因而使輸出電壓比較穩(wěn)定?！?〕必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ，不要超過規(guī)定值，以免因過熱而燒壞管子?！咀⒁狻糠€(wěn)壓管的一種實(shí)物圖黑頭一側(cè)為陰極，即k端符號(hào)光電傳輸系統(tǒng)1.3.2發(fā)光二極管(發(fā)光)幾種普通發(fā)光二極管實(shí)物圖長腳為正極大頭為負(fù)極〔a〕符號(hào)〔b〕電路模型〔c〕特性曲線1.3.3光電二極管可用來作為光的測(cè)量，是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的常用器件。(接收光)補(bǔ):判斷D狀態(tài)方法習(xí)題1.11,1.12開關(guān)電路〔理想模型〕電路如下圖，求AO的電壓值解：

先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)為0V。那么接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)ā?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。1.3.1開關(guān)與整流電路(補(bǔ))整流電路〔理想模型〕〔a〕電路圖〔b〕vs和vo的波形半波整流電路

將指數(shù)模型分段線性化，