半导体二极管及其应用习题解答..

第1章半导体二极管及其基本电路

1.1 教学内容与要求

本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。教学内容与教学要求如表1.1所示。要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及PN结的形成过程。主要掌握半导体二极管在电路中的应用。

表1.1 第1章教学内容与要求

1.2 内容提要

1.2.1半导体的基础知识

1．本征半导体

高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。

本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差，

2．杂质半导体

(1) N型半导体本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N型半导体，N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。N型半导体呈电中性。

(2) P型半导体本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P型半导体。P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。P型半导体呈电中性。

在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。

1.2.2 PN结及其特性

1．PN结的形成

在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半

导体，在P 型区和N 型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN 结。PN 结是构成其它半导体器件的基础。 2．PN 结的单向导电性

PN 结具有单向导电性。外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN 结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN 结几乎截止。 3. PN 结的伏安特性

PN 结的伏安特性： )1(T

S -=U U e

I I

式中，U 的参考方向为P 区正，N 区负，I 的参考方向为从P 区指向N 区；I S 在数值上等于反向饱和电流；U T =KT /q ，为温度电压当量，在常温下，U T ≈26mV 。

(1) 正向特性 0>U 的部分称为正向特性，如满足U >>U T ，则T

S U U e I I ≈，PN 结的

正向电流I 随正向电压U 按指数规律变化。

(2) 反向特性 0>，则S I I -≈，反向电流与反向电压的大小基本无关。

(3) 击穿特性 当加到PN 结上的反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加，这种现象称为PN 结反向击穿，击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。 4. PN 结的电容效应

PN 结的结电容C J 由势垒电容C B 和扩散电容C D 组成。C B 和C D 都很小，只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。当PN 结正向偏置时，扩散电容C D 起主要作用，当PN 结反向偏置时，势垒电容C B 起主要作用。

1.2.3 半导体二极管

1. 半导体二极管的结构和类型

半导体二极管是由PN 结加上电极引线和管壳组成。

二极管种类很多，按材料来分，有硅管和锗管两种；按结构形式来分，有点接触型、面接触型和硅平面型几种。 2. 半导体二极管的伏安特性

半导体二极管的伏安特性是指二极管两端的电压u D 和流过二极管的电流i D 之间的关系。它的伏安特性与PN 结的伏安特性基本相同，但又有一定的差别。在近似分析时，可采用PN 结的伏安特性来描述二极管的伏安特性。 3. 温度对二极管伏安特性的影响

温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，温度每升高1o

C ，PN 结的正向压降约减小（2~2.5）mV 。

二极管的反向特性曲线随温度的升高将向下移动。当温度每升高10 o

C 左右时，反向饱和电流将加倍。

4. 半导体二极管的主要参数

二极管的主要参数有：最大整流电流I F ；最高反向工作电压U R ；反向电流I R ；最高工作频率f M 等。由于制造工艺所限，即使同一型号的管子，参数也存在一定的分散性，因此手册上往往给出的是参数的上限值、下限值或范围。 5. 半导体二极管的模型

常用的二极管模型有以下几种：

(1) 理想模型: 理想二极管相当于一个开关。当外加正向电压时，二极管导通，正向压降u D 为零，相当于开关闭合；当外加反向电压时，二极管截止，反向电流i R 为零，相当于开关断开。

(2) 恒压源模型: 当二极管外加正向电压等于或大于导通电压U on 时，二极管导通，二极管两端电压降为U on ；当外加电压小于U on 时，二极管截止，反向电流为零。

(3) 折线模型: 当二极管外加正向电压大于U on 后其电流i D 与电压u D 成线性关系，直线斜率为1/r D ；当二极管外加正向电压小于U on 时，二极管截止，反向电流为零。

(4) 微变信号模型: 如果在二极管电路中，除直流信号外，还有微变信号，则对微变信号可将二极管等效成一个电阻r d ，其值与静态工作点有关，即DQ T d /I U r 。

6．半导体二极管的应用

(1) 限幅：利用二极管的单向导电性将输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。

(2) 整流：正弦交流电压变换为单向脉动电压。

1.2.3 特殊二极管

1．稳压二极管 (1) 稳压原理

稳压管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管。利用PN 结的反向击穿特性来实现稳定电压的，正常使用时工作在反向击穿状态。当反向电压达到击穿电压U Z 后，流过管子的反向电流会急剧增加，即使通过稳压管的反向电流在较大范围内变化，管子两端的反向击穿电压几乎不变，表现出很好的稳压特性。

(2) 主要参数

稳压管的主要参数有：稳定电压U Z ，稳定电流I Z ，最大耗散功率P CM 和最大工作电流I Zmax ，动态电阻r z 和稳定电压的温度系数α。

(3) 稳压电路

稳压管正常稳压必须满足两个条件：一是必须工作在反向击穿状态（利用正向特性稳压除外）；二是流过稳压管的电流要在最小稳定电流I Zmin 和最大稳定电流I Zmax 之间。 2. 其它特殊二极管

发光二极管：通以电流时，能发出光来。

光电二极管：将光能转换成电能，它的反向电流与光照强度成正比。 变容二极管：结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。