第2章 半导体二极管讲解

+4
磷原 子核
+4
+4
未形成共价 键的价电子
价元素（如磷、砷、锑等），可大
大提高自由电子浓度，这种杂质半 导体称为N型半导体；若掺入微量
+4
+5
+4
+4
+4
+4
的3价元素（如硼），则可增加空
穴数目，这种杂质半导体称为P型 半导体。
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磷 原 子
图2-5 N型半导体结构示意图
图 2-1 硅和锗的原子结构示意图
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共价键结构
在硅或锗的本征半导体中，由于原子排列的整齐和紧密，原来属于某个 原子的价电子，可以和相邻原子所共有，形成共价键结构。图2-2所示为硅和 锗共价键的(平面)示意图。
价 电 子 共 价 键
+4
价电子
+4
共价键
+4
+4
空穴
+4
新的 空穴 价电子填 补空穴
+4
自由 电子
+4
+4
+4
+4
新 空 穴
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+4
+4
+4
复 合
图2-4 空穴和自由电子的运动
2.1.3 N型半导体和P型半导体
为了提高其导电能力，应增加
载流子的数目，在本征半导体中掺
入微量的其他元素（称为掺杂）， 形成杂质半导体。若掺入微量的5
当二极管反向电压过高超过反向击穿电压时，二极管的反 向电流急剧增加，对应图2-13图中的（3）段。由于这一段电流 大、电压高，所以PN结消耗的功率很大，容易使PN结过热烧坏， 一般二极管的反向电压在几十伏以上。
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2.2.2.2 主要性能参数
• • • • 1．额定整流电流IF 2．最高反向工作电压URM 3．反向饱和漏电流和最大反向电流IRM UD 4．直流电阻RD RD
(3) 理想模型
图2-16d为二极管的理想模型。在二极管的工作电压幅度较大时， 认为可以忽略二极管的正向导通压降和反向饱和电流，即正偏时二 极管导通电压为零，相当于开关闭合；反偏压时二极管截止电流为 零，相当于开关断开。
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2.3 特殊半导体二极管
2.3.1 稳压管及其应用
• 6）电压温度系数
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u
稳压管稳压电路
• 在负载变化不大的场合，稳压管常用来做稳压电源，由于负载和稳 压管并联，又称为并联稳压电源。稳压管在实际工作时要和电阻相 配合使用，其电路如图2-18所示。
IR
UI UZ UI UZ R UZ UZ I ZM I Zmin RL RL
30 20 10 80 60 40 20 O 0.2 (2) 硅 管 锗管 0.6 (1)
u/v
U RM
iD IS (eu /UT 1)
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（2－1）
图2-13 二极管伏安特性
2．反向特性 • 二极管的反向特性对应图2-13曲线的（2）段，此时二极 管加反向电压，阳极电位低于阴极电位。 • 在二极管两端加反向电压时，其外加电场和内电场的方 向一致，当反向电压小于反向击穿电压时，由图中可以 看出，反向电流基本恒定，而且电流几乎为零，这是由 少数载流子漂移运动所形成的反向饱和电流。硅管的反 向电流要比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流一 般小于0.1μA，锗管约为几个微安。 3．击穿特性
2.2.3 二极管的等效模型及其应用
1. 小信号模型
二极管的电压和电流将 在其伏安特性曲线上Q点附 近变化，且变化范围较小， 可近似认为是在特性曲线的 线性范围之内变化，于是用 过Q点的切线代替微小变化 的曲线，如图2-16a中Q点附 近的小直角三角形所示，并 由此将工作在低频小信号时 的二极管等效成一个动态电 阻。
稳压管是一种由特殊工艺制成的点接触型硅二极管，与普通二极管相比， 其正向特性相似，而反向特性比较陡，其表示符号与伏安特性如图2-17所示。 稳压管工作时是在反向击穿区，并且在一定电流范围内（△IZ），稳压管不 会损坏。由于稳压管的击穿是齐纳击穿，故稳压管也称为齐纳二极管。
i / mA
正向 特性
U Z
多子 少子 空间电荷区 多子 少子
P型半导体 PN结 N型半导体
P型半导体
内电场
N型半导体
内电场方向 外电场方向
R
空穴 自由电子
IF
U
图 2-8 PN结的形成
图 2-9 PN结加正向电压
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PN结外加电压时
1．PN结外加正向电压
如图2-9所示电路图，P区接电源的正极、N区接电源的
Io UZ RL Uo
R IZ UI DZ
图2-18 稳压管稳压电路
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2.3.2 半导体光电器件
• 1．发光二极管
发光二极管也叫LED，它是由砷化镓（GaAs）、磷
化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）等半导体制成的，因 此不仅具有一般PN结的单向导电性，而且在一定条件下， 它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区， 空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子） 一部分与多数载流子（多子）复合而发光。故发光二极 管工作时要加正向电压。
du D diD
Q
二极管最高工作频率为是指二极管正常工作时，允 许通过交流信号的最高频率。

7．反向恢复时间 t rr
指二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减 到接近IS时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开 关状态时，反向恢复时间是二极管的一项重要指标。
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未形成共价键的电子
2．P型半导体
如果在硅或锗的本征半导 体中掺入微量的3价硼（B）元 素，则形成P型半导体。如图 2-6所示。由于硼原子核外有3 个价电子，故只能和相邻的硅 或锗的形成3个共价键，而第4 个共价键中由于缺少一个电子 形成空。P型半导体中，空穴 的数量远远大于自由电子数， 空穴为多数载流子，自由电子 为少数载流子，故P型半导体 也称为空穴半导体，硼原子也 称为受主杂质。
+4
自由 电子
+4
自 由 电 子
+4
硅或锗的 原子核
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
图2-2 共价键结构示意图
空 穴
图2-3 自由电子和空穴的形成
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热激发、载流子
在温度升高或者外界供给能量下最外层电子容易获得能量挣脱共价 键的束缚成为自由电子，这种现象称为热激发，如图2-3所示。共价键失 去电子后留下的空位称为空穴，显然具有空穴的原子带正电。本征半导 体产生热激发时，电子和空穴成对出现。 自由电子在电场作用下运动时， 也会填补空穴，这种现象成为复合。 在本征半导体中，自由电子和空穴 总是成对出现，同时又不断复合， 故在一定温度下，载流子的热激发 和复合达到动态平衡，载流子的数 目维持在一定的数目。
第2章 半导体二极管
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本章基本要求
• 了解半导体的基本知识
• 熟悉二极管(PN结)的结构、工作原理、主要
参数 • 掌握二极管的特点、伏安特性、应用电路及 其分析方法。
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2.1 半导体基础与PN结
2.1.1 半导体及其特性 一般金属电阻率为10-9～10-6Ω· cm，绝缘体的电 阻率为1010～1020Ω· cm，半导体的电阻率为 10-3～ 109Ω· cm。由于半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，故称为半导体。 半导体具有以下特性：
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P型半导体 PN 结 N型半导体
内电场方向 外电场方向
R
U
IR
图 2-10 PN结加反向电压
2.2 半导体二极管
• 2.2.1 二极管的结构、类 型及符号 将一个PN结封装起 来，引出两个电极，就 构成半导体二极管，也 称晶体二极管。其电路 中的表示符号如图2-11a 所示，二极管的外形如 图2-11b所示。
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未形成共价键的空穴
+4
硼原 子核
+4
+4
未形成共 价键的空 穴
+4
+3
+4
+4
+4
+4
图2-6 P型半导体结构示意图
硼原子
2.1.4 PN结及其单向导电性
2.1.4 .1 PN结的形成
利用特殊的制造工艺，在一块本征半导体（硅或锗） 上，一边掺杂成N型半导体，一边形成P型半导体，这样在 两种半导体的交界面就会形成一个空间电荷区，即PN结。
Uz
O
u/V
I Z
反向 特性 (a)符号
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(b)伏安特性
图2-17 稳压管的符号及伏安特性
稳压管的主要参数
• 1）稳定电压UZ
• 2）稳定电流IZ
• 3）最大稳定电流IZM
• 4）最大允许耗散功率PZM
• 5）动态电阻rZ
rZ U Z I Z
1 U Z T U Z
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i / mA
uD
iD
rd
ID
Q
iD
uD
代表符号
u/V
O
UD
(a) 小信号模型
u D rd i D
Q
2. 大信号模型
二极管在许多情况下都是工作在大信号条件下(如整流二极管、开 关二极管等)。在大信号条件下，根据不同的精度要求，二极管可以用 折线模型、恒压模型和理想模型来表示。
2．PN结外加反向电压
PN结外加反向电压，即P 区接电源的负极、N区接电源 的正极，如图2-10所示。外电 场使得P区的空穴和N区的自由 电子从空间电荷区边缘移开， 使空间电荷区变宽，内电场增 强，不利于多数载流子的扩散， 而有利于少数载流子的漂移形 成反向电流，其方向是由N区 流向P区。由于少数载流子是 由于价电子获得能量挣脱共价 键的束缚而产生的，数量很少， 故形成的电流也很小，此时PN 反向截止，呈现高阻状态。
i / mA
ID
i / mA
I D1 I D2
Q2
Q1
ID
Q
iD
uD
u/V
O
U D 2 U D1
u/V
O
UD
(a) 直流电阻的几何意义
(b) 交流电阻的几何意义
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图2-15 二极管的等效电阻
• 5．交流电阻 • 6．最高工作频率
u D rd iD
Q
负极。空间电荷区变窄，削弱了内电场，多数载流子的扩 散运动增强，形成较大的扩散电流，其方向是由P区流向N 区，随着外加电压的增大正向电流也增大，称之为PN结的 正向导通。 正向电流包括两部分：空穴电流和自由电子电流。虽 然两种不同极性的电荷运动方向相反，但所形成的电流方 向是一致的。
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(1) 折线模型
当 uD U th 时二极管才导通，且电流 iD 与 uD 成线性关系，直线的斜率为 g d 1 rd ，其中 rd U D I D ，当 uD U th 时二极管截止，电流为零。
(2) 恒压降模型
图2-16c为二极管的折线模型。当二极管的正向导通压降与外加电压 相比不能忽略时，二极管正向导通可看成是恒压源（硅管典型值为0.7V， 锗管典型值为0.2V），且不随电流变化而变化；截止时反向电流为零， 做开路处理。
（1）热敏特性 （2）光敏特性 （3）杂敏特性
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2.1.2 本征半导体
具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。晶体 通常具有规则的几何形状，在空间中按点阵（晶格）排 列。最常用的半导体材料为硅（Si）和锗（Se）。
Si
Ge
(a) 硅原子结构示意图
(b) 锗原子结构示意图
阴极 阳极 (a)
阴极
阳极 (b)
阴极
阳极
图2-11 半导体二极管
(a) 二极管的表示符号 (b) 二极管的外型
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二极管的结构示意图
铝金属小球 外壳 引线 触丝 N型锗片 N型硅 金锑合金 底座 N型硅 阴极引线
(a) (b) (c)
阳极引线 PN结
阳极引线 P型硅
阴极引线
图 2-12 半导体二极管的结构示意图 (a) 点接触型 (b) 面接触型 (c) 平面型
点接触型
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面接触型
平面型
2.2.2.1 二极管的伏安特性
• 二极管的伏安特性就是二极管流过的电流i和两 端电压u之间的关系。 i / mA
1．正向特性
当正向电压足够大，超过开 启电压后，内电场的作用被大大 削弱，电流很快增加，二极管正 向导通，此时硅二极管的正向导 通压降在0.6~0.8V，典型值取 0.7V；锗二极管的正向导通压降 在0.1~0.3V，典型值取0.2V。
i / mA
i / mA
gd
I D
实际 曲线
I D
iD
uD
实际 曲线
i / mA
uD 0
iD 0
uD 0 iD 0
U D
U th
uD
U th
实际 曲线
uD
rd
代表符号
代表符号
代表符号
U D
u/V
u/V
O
(b) 折线模型
0
UT
(c) 恒压降模型
O
(d) 理想模型
u/V
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