第二章 半导体二极管及其应用电路

共价键
图2-1
天然的硅和锗材料是不能制成 半导体器件的，必须经过高度提纯 工艺将它们提炼成纯净的单晶体。 单晶体的晶格结构是完全对称，原 子排列得非常整齐，故常称为晶体， 就是我们所说的本征半导体其平面 示意图如图2-2所示。
图2-2
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当温度上升或受光照时，共价键中的一些价电子以热运动的 形式不断从外界获得一定的能量，少数价电子因获得的能量较大， 而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原来的共价键的相 应位置上留下一个空位，叫空穴。如图2-3所示。 如图所示的A处为空穴， B处为自由电子，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。 把在光或热的作用下，本征 半导体中产生电子—空穴对 的现象，叫本征激发。
图2-9
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1. 正向特性（forward characteristics）
当二极管的正向电压很小时，几乎没有电流通过二极管。 正向电压超过某数值后，才有正向电流流过二极管，这一电压 值称为死区电压。 二极管的正向电压大于死区电压后，有较大的正向电流通 过二极管，称为二极管导通。
2. 反向特性（reverse characteristics）
⑤在焊接二极管时最好用45W以下的电烙铁进行，并用镊子夹住引线根 部，以免烫坏管芯。 ⑥二极管的引线弯曲处应大于外壳端面5mm，以免引线折断或外壳破裂。 ⑦对于功率较大，需要附加散热器时，应按要求加装散热器并使之良好接触 ⑧在安装时，二极管元件应尽量避免靠近发热元件。
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3. 二极管的直流电阻和交流电阻
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图2-4
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2.1.3 PN结及其单向导电性
1. PN结的形成
半导体中有电子和空穴这两种载流子，当这些载流子作定向 运动时就形成电流。半导体中的载流子运动有漂移运动和扩散运 动两种方式，相应地也就有漂移电流和扩散电流这两种电流。
在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点
第二章
半导体二极管及其基本应用电路
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2.1 半导体基本知识 2.2 半导体二极管 2.3 整流电路 2.4 滤波电路 2.5 倍压整流电路 2.6 应用电路介绍
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半导体(semiconductor)器件是在20世纪50年代初发展起来 的器件，由于具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、 功率转换效率高等优点，已广泛应用于家电、汽车、计算机及 工控技术等众多领域，被人们视为现代技术的基础。 这一章的任务就是让学习者在了解半导体的特殊性能、PN 结(PN junction)的形成及其单向导电性的基础上，进一步认识 半导体二极管、半导体三极管这些半导体器件。
图2-12 理想模型 a)U-I 特性 b)、c)符号及等效模型
2.恒压降模型
该模型由理想二极管与电压源串联构成，它与理想模型的区 别，仅在于它的正向压降不再认为是零，而是接近实际工作的某 一定值，且不随电流而变。不过，这只有当流经二极管的电流近 似等于或大于1mA时才是正确的。显然，这种模型较理想模型更 接近实际二极管。如图 b)所示。
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2.2 半导体二极管
2.2.1 二极管的结构与类型
将ＰＮ结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极 管。按结构分，二极管有点接触型和面接触型、平面型等 。
1. 点接触型二极管
特点是ＰＮ结面积小，不能通过较大电流，但高频性能好。
2. 面接触型二极管
结面积较大，故可允许通过较大电流，但其工作频率低。
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反向偏置的意思是： P区加负、N 区加正电压。此时，外部电场的方向 与内电场的方向一致，使空间电荷区 变宽，内电场继续增强，造成多数载 流子扩散运动难于进行，同时加强了 少数载流子的漂移运动，形成由N区流 向P区的反向电流。但由于常温下少数 图2-7 载流子恒定且数量不多，故反向电流 当外加的反向电压在一定 极小，而电流小说明PN结的反向电阻 范围内变化时，反向电流几乎 很高，通常可以认为反向偏置的PN结 不随外加电压的变化而变化。 不导电，基本处于截止状态，这种情 这是因为反向电流是由少子漂 移形成的。只要温度不发生变 况就称为PN结反向阻断。PN结的反向 化，少数载流子的浓度就不变， 阻断作用原理图如图2-7所示。
2. P型半导体
在四价晶体中掺入微量的三价元素，三价原子在与四价原 子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空穴。由于这种 杂质原子能吸收电子，因此称为“受主杂质”。在这种杂质半 导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电 子为少子。因为这种半导体的导电主要依靠空穴，而空穴带正 电荷，所以称其为P型半导体（P-type semiconductor）或空穴型 半导体。
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4. 温度对特性的影响
由于半导体的导电性能与 温度有关，所以二极管的特性 对温度很敏感，温度升高时二 极管正向特性曲线向左移动， 反向特性曲线向下移动，如图 2-10所示。 变化的规律：在室温附近， 温度每升高1℃ ，正向电压减 小2～2.5mV，即温度系数约 为-2.3mV/℃；温度每升高 10℃，反向电流约增大一倍。 击穿电压也下降较多。
通过对这些半导体器件的结构、工作原理、特性曲线及特 性参数等方面的剖析，掌握二极管、三极管等半导体器件的结 构特点和工作原理；在技术能力上掌握正确测试半导体器件的 好坏及极性的判别方法，并能看懂由这些半导体器件作为核心 元件构成的简单电子线路图，初步掌握一些EWB电路仿真技能。
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2.1 半导体基本知识
即使反向电压在允许的范围内 再增加再多，也无法使少子的 数量增加，这时反向电流趋于 恒定，因此反向电流又称为反 向饱和电流。
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3. PN结的反向截止
PN结的上述“正向导通，反 响阻断”作用，说明PN结具有单 向导电性。
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2.1.4 PN结的反向击穿
PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结 的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这 种现象称为PN结反向击穿。
半导体的导电性能力虽然介于导体和绝缘体之间，但是却 能够引起人们的极大兴趣，这与半导体材料本身存在的一些独 特性能是分不开的。
半导体的导电能力受各种因素影响：
1.热敏特性 温度升高，大多数半导体的电阻率下降。
由于半导体的电阻率对温度特别灵敏，利用这种特性就可以做 成各种热敏元件。
2.光敏特性 许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。
利用这种特性可制成各种光电元件。
3.掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，
它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就 可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管 晶闸管、场效应管等。
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2.1.1 本征半导体
在半导体物质中，目前用得最多的材料是 硅和锗。在硅和锗的原子结构中，最外层电子 的数目都是4个，因此被成为四价元素，如图21所示。
在PN结形成的过程中，多子的扩散和少子的漂移既相互联系、 又相互矛盾。初始阶段，扩散运动占优势，随后扩散运动的减弱 显然伴随着漂移运动的不断加强。最后，当扩散运动和漂移运动 达到动态平衡时，将形成一个稳定的空间电荷区，这个相对稳定 的空间电荷区就叫做 PN结。 2016/5/1 9
若在PN结两端接上外加电源，也就是PN结被偏置了。由于偏 置电压的作用，动态平衡遭到破坏。PN结将显示出其单向导电的 性能，PN结的单向导电性，是构成半导体器件的主要工作机理。
rd 的近似公式：
rd 1 U T 26mV gd I I
(当 T 300 K 时)
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2.2.4 二极管的分析方法
由二极管组成的电路是非线性电路，它的分析方法有：图 解分析法和模型分析法等。
1. 理想模型
在电路中相当于一个理想开关，如图2-13 a) 的伏安特性曲 线所示。只要二极管外加正向电压稍大于零，它就导通，相当 于开关闭合；如图 b)所示。当反偏时，二极管截止，相当于开 关断开，如图 c)所示。
当二极管加上反向电压时，只有极小的反向电流流过二极管。
二极管的反向电流具有两个特点:第一个特点是它随温度上升 而增长很快，另一个特点是只要外加的反向电压在一定范围之内， 反向电流基本不随反向电压变化。
3. 反向击穿（reverse breakdown）特性
当反向电压高到一定数值时，反向电流将突然增大，二极管 失去单向导电性，这种现象称为电击穿。如果二极管的反向电压 超过这个数值，而没有适当的限流措施，会因电流大，电压高， 将使管子过热而造成永久性的损坏，这就是热击穿。
图2-10
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4）最高工作频率 f M
主要由ＰＮ结结电容的大小决定。信号频率超过此值时，结 电容的容抗变得很小，使二极管反偏时的等效阻抗变得很小，反 向电流很大。于是，二极管的单向导电性变坏。
5）二极管使用注意事项
①加在二极管上的电流、电压、功率以及环境温度等都不应超过规范表 所允许的极限值 。 ②整流二极管不应直接串联或并联使用。如需串联，每个二极管应并联 一个均压电阻。若需并联，每个二极管应串联均流电阻。 ③二极管在容性负载线路中工作时，额定整流电流值应降低20%使用。 ④二极管在三相线路中使用时，所加的交流电压须比相应的单相线路中 降低15%。
在本征半导体中存在 两种载流子：带负电的自 由电子和带正电的空穴。
图2-3
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2.1.2 杂质半导体
1. N型半导体
在四价元素晶体中掺入微量的五价元素，由于这种杂质原子 能放出电子，因此称为“施主杂质”。显然掺入的杂质越多，杂 质半导体的导电性能越好，这种掺杂所产生的自由电子浓度远大 于本征激发所产生的电子—空穴对的浓度，所以杂质半导体的导 电性能远超过本征半导体。