二极管及其应用电路--笔记整理

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半导体二极管及其应用电路

1.半导体的特性

自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝缘体、半导体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。它具有热敏性、光敏性(当守外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化)和掺杂性(往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显变化)。利用光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应管等。

2.半导体的共价键结构

在电子器件中,用得最多的材料是硅和锗,硅和锗都是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为共价键结构。

当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这个空位称为空穴, 自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发,又称为热激发。

由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作用下,邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转移到这个新的空位上。为了区别于自由电子的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等, 符号相反。由此可见, 本征半导体中存在两种载流子:电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子——电子。本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度时影响半导体性能的一个重要的外部因素。

3.杂质半导体

1) N型半导体(电子半导体):在纯净的半导体硅(或锗)中掺入微量五价元素(如磷)后,就可成为N型半导体。在这种半导体中,自由电子数远大于空穴数,导电以电子为主,故此类半导体亦称电子型半导体。

2) P型半导体(空穴半导体):在硅(或锗)的晶体内掺入少量三价元素杂质,如硼(或铟)等。硼原子只有3个价电子,它与周围硅原子组成共价键时,因缺少一个电子,在晶体中便产生一个空穴。这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具有导电性能。在P型半导体中,空穴数远远大于自由电子数,空穴为多数载流子(简称“多子”),自由电子为少数载流子(简称“少子”)。导电以空穴为主,故此类半导体又称为空穴型半导体。空穴得到电子带正电。

4. PN结及其单向导电特性

4.1. PN 结的形成

在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成P型半导体,另一边形成N型半导体。在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层,称为空间电荷区,并产生内电场,其方向是从N区指向P区,内电场的建立阻碍了多数载流子的扩散运动,随着内电场的加强,多子的扩散运动逐步减弱,直至停止,使交界面形成一个稳定的特殊的薄层,即PN结。因为在空间电荷区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此空间电荷区又称为耗尽层。

4.2. PN结的单向导电特性

在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。

4.2.1) PN结正向偏置:给PN结加正向偏置电压,即P区(空穴)接

电源正极,N区(电子)接电源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏),由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区多数载流子向对方扩散,形成正向电流,此时PN结处于正向导通状态。

4.2.2) PN结反向偏置:给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,P 区接电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏), 由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场,使PN结加宽,阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用下,只有少数载流子形成的很微弱的电流,称为反向电流。

综上所述,PN结具有单向导电性,即加正向电压时导通,加反向电压时截止。正偏时是多数载流子载流导电,反偏时是少数载流子载流导电。所以,正偏电流大,反偏电流小,PN结显示出单向电性。特别是要重点说明,反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的,甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。为什么呢?大家知道PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的内电场,而内电场的作用方向(N—P)总是阻碍多数载流子的正向通过,所以,多数载流子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用,需要约0.7伏的外加电压,这是PN结正向导通的门电压。而反偏时,内电场在电源作用下会被加强也就是PN结加厚,少数载流子反向通过PN结时,内电场作用方向和少

数载流子通过PN结的方向一致,也就是说此时的内电场对于少数载流

子的反向通过不仅不会有阻碍作用,甚至还会有帮助作用。这就导致了以上我们所说的结论:反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的,

甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。这个结论可以很好

解释三极管在饱和状态下,集电极电位很低甚至会接近或稍低于基极电位,集电结处于零偏置,但仍然会有较大的集电结的反向电流Ic产生。

5. 半导体二极管的结构、符号及类型

5.1.结构符号:二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图5.1

所示,在图5.1(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通电流方向。

5.2.类型

5.2.1)按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。

5.2.2)按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型(PN结面积小,

用于检波和变频等高频电路)、面接触型二极管(PN结面

积大,用于工频大电流整流电路)、平面型二极管(用于集

成电路制造工艺中,PN结面积可大可小,用于高频整流和

开关电路中)。

5.2.3)按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变

容、阻尼等二极管。

5.2.4)按封装形式分:有塑封及金属封等二极管

5.2.5)按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管

6. 半导体二极管的命名方法

半导体器件的型号由五个部分组成,如图5.3所示。其型号组成部分的符号及其意义如图。如2AP9,“2”表示电极数为2,“A”表示N型锗材

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