1、1第二章第二章 半導體二極管及其基本應用電路半導體二極管及其基本應用電路 2022-5-322022-5-33 半導體半導體( (semiconductor) )器件是在器件是在20世紀世紀50年代初發展起來年代初發展起來的器件，由于具有體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、的器件，由于具有體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、功率轉換效率高等優點，已廣泛應用于家電、汽車、計算機及功率轉換效率高等優點，已廣泛應用于家電、汽車、計算機及工控技術等眾多領域，被人們視為現代技術的基礎。工控技術等眾多領域，被人們視為現代技術的基礎。 這一章的任務就是讓學習者在了解半導體的特殊性能、這一章的任務就是

2、讓學習者在了解半導體的特殊性能、PN結結( (PN junction) )的形成及其單向導電性的基礎上，進一步認識的形成及其單向導電性的基礎上，進一步認識半導體二極管、半導體三極管這些半導體器件。半導體二極管、半導體三極管這些半導體器件。 通過對這些半導體器件的結構、工作原理、特性曲線及特通過對這些半導體器件的結構、工作原理、特性曲線及特性參數等方面的剖析，掌握二極管、三極管等半導體器件的結性參數等方面的剖析，掌握二極管、三極管等半導體器件的結構特點和工作原理；在技術能力上掌握正確測試半導體器件的構特點和工作原理；在技術能力上掌握正確測試半導體器件的好壞及極性的判別方法，并能看懂由這些半導體器

3、件作為核心好壞及極性的判別方法，并能看懂由這些半導體器件作為核心元件構成的簡單電子線路圖，初步掌握一些元件構成的簡單電子線路圖，初步掌握一些EWB電路仿真技能。電路仿真技能。 2022-5-34 半導體的導電性能力雖然介于導體和絕緣體之間，但是卻半導體的導電性能力雖然介于導體和絕緣體之間，但是卻能夠引起人們的極大興趣，這與半導體材料本身存在的一些獨能夠引起人們的極大興趣，這與半導體材料本身存在的一些獨特性能是分不開的。特性能是分不開的。 溫度升高，大多數半導體的電阻率下降。溫度升高，大多數半導體的電阻率下降。由于半導體的電阻率對溫度特別靈敏，利用這種特性就可以做由于半導體的電阻率對溫度特別靈敏

4、，利用這種特性就可以做成各種熱敏元件。成各種熱敏元件。 許多半導體受到光照輻射，電阻率下降。許多半導體受到光照輻射，電阻率下降。利用這種特性可制成各種光電元件。利用這種特性可制成各種光電元件。 在純凈的半導體中摻入微量的某種雜質后，在純凈的半導體中摻入微量的某種雜質后，它的導電能力就可增加幾十萬甚至幾百萬倍。利用這種特性就它的導電能力就可增加幾十萬甚至幾百萬倍。利用這種特性就可制成各種不同用途的半導體器件，如半導體二極管、三極管可制成各種不同用途的半導體器件，如半導體二極管、三極管晶閘管、場效應管等。晶閘管、場效應管等。2022-5-35 在半導體物質中，目前用得最多的材料是在半導體物質中，目

5、前用得最多的材料是硅和鍺。在硅和鍺的原子結構中，最外層電子硅和鍺。在硅和鍺的原子結構中，最外層電子的數目都是的數目都是4個，個，因此被成為四價元素，因此被成為四價元素，如圖如圖2-1所示。所示。 天然的硅和鍺材料是不能制成天然的硅和鍺材料是不能制成半導體器件的，必須經過高度提純半導體器件的，必須經過高度提純工藝將它們提煉成純凈的單晶體。工藝將它們提煉成純凈的單晶體。單晶體的晶格結構是完全對稱，原單晶體的晶格結構是完全對稱，原子排列得非常整齊，故常稱為晶體，子排列得非常整齊，故常稱為晶體，就是我們所說的本征半導體其平面就是我們所說的本征半導體其平面示意圖如圖示意圖如圖2-2所示。所示。 2022

6、-5-36 當溫度上升或受光照時，共價鍵中的一些價電子以熱運動的當溫度上升或受光照時，共價鍵中的一些價電子以熱運動的形式不斷從外界獲得一定的能量，少數價電子因獲得的能量較大，形式不斷從外界獲得一定的能量，少數價電子因獲得的能量較大，而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，同時在原來的共價鍵的相而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，同時在原來的共價鍵的相應位置上留下一個空位，叫空穴。如圖應位置上留下一個空位，叫空穴。如圖2-3所示。所示。 如圖所示的如圖所示的A處為空穴，處為空穴，B處為自由電子，顯然，自由處為自由電子，顯然，自由電子和空穴是成對出現的，電子和空穴是成對出現的，所以稱它們為所以稱它們為電子

7、電子空穴對空穴對。把在光或熱的作用下，本征把在光或熱的作用下，本征半導體中產生電子半導體中產生電子空穴對空穴對的現象，叫本征激發。的現象，叫本征激發。 2022-5-37 在四價元素晶體中摻入微量的五價元素，由于這種雜質原子在四價元素晶體中摻入微量的五價元素，由于這種雜質原子能放出電子，因此稱為能放出電子，因此稱為“施主雜質施主雜質”。顯然摻入的雜質越多，雜。顯然摻入的雜質越多，雜質半導體的導電性能越好，這種摻雜所產生的自由電子濃度遠大質半導體的導電性能越好，這種摻雜所產生的自由電子濃度遠大于本征激發所產生的電子于本征激發所產生的電子空穴對的濃度，所以雜質半導體的導空穴對的濃度，所以雜質半導體

8、的導電性能遠超過本征半導體。電性能遠超過本征半導體。 在四價晶體中摻入微量的三價元素，三價原子在與四價原在四價晶體中摻入微量的三價元素，三價原子在與四價原子組成共價鍵時，因缺少一個電子而產生一個空穴。由于這種子組成共價鍵時，因缺少一個電子而產生一個空穴。由于這種雜質原子能吸收電子，因此稱為雜質原子能吸收電子，因此稱為“受主雜質受主雜質”。在這種雜質半。在這種雜質半導體中，空穴濃度遠大于自由電子濃度，空穴為多子，自由電導體中，空穴濃度遠大于自由電子濃度，空穴為多子，自由電子為少子。因為這種半導體的導電主要依靠空穴，而空穴帶正子為少子。因為這種半導體的導電主要依靠空穴，而空穴帶正電荷，所以稱其為電

9、荷，所以稱其為P P型半導體型半導體（P-type semiconductor）或空穴型或空穴型半導體。半導體。 2022-5-38需要指出的是：需要指出的是： 不論是不論是N型還是型還是P型半導體型半導體，雖然都有一種載流子占多數，雖然都有一種載流子占多數，但多出的載流子數目與雜質離子所帶的電荷數目始終相平衡，即但多出的載流子數目與雜質離子所帶的電荷數目始終相平衡，即整塊雜質半導體既沒有失去電子，也沒有得到電子，整個晶體仍整塊雜質半導體既沒有失去電子，也沒有得到電子，整個晶體仍然呈中性。然呈中性。 為突出雜質半導體的主要特征，在畫為突出雜質半導體的主要特征，在畫P型或型或N型型半導體時，半導

10、體時，常常只畫多子和離子成對出現，如圖常常只畫多子和離子成對出現，如圖2-4所示。所示。 一般情況下，雜質半導體中的多數載流子的數量可達到少一般情況下，雜質半導體中的多數載流子的數量可達到少數載流子數量的數載流子數量的10001000倍或更多，因此，雜質半導體的導電能力倍或更多，因此，雜質半導體的導電能力比本征半導體的導電能力將強上幾十萬倍。比本征半導體的導電能力將強上幾十萬倍。2022-5-39 半導體中有電子和空穴這兩種載流子，當這些載流子作定向半導體中有電子和空穴這兩種載流子，當這些載流子作定向運動時就形成電流。半導體中的載流子運動有漂移運動和擴散運運動時就形成電流。半導體中的載流子運動

11、有漂移運動和擴散運動兩種方式，相應地也就有漂移電流和擴散電流這兩種電流。動兩種方式，相應地也就有漂移電流和擴散電流這兩種電流。 2022-5-310 若在若在PN結兩端接上外加電源，也就是結兩端接上外加電源，也就是PN結被偏置了。由于偏結被偏置了。由于偏置電壓的作用，動態平衡遭到破壞。置電壓的作用，動態平衡遭到破壞。PN結將顯示出其單向導電的結將顯示出其單向導電的性能，性能，PN結的單向導電性，是構成半導體器件的主要工作機理。結的單向導電性，是構成半導體器件的主要工作機理。 此時，外部電場的方此時，外部電場的方向是從向是從P區指向區指向N區，顯然與內電場的區，顯然與內電場的方向相反，結果使空間

12、電荷區變窄，方向相反，結果使空間電荷區變窄，內電場被削弱。內電場的削弱使多數內電場被削弱。內電場的削弱使多數載流子的擴散運動得以增強，形成較載流子的擴散運動得以增強，形成較大的擴散電流（有多子的定向移動形大的擴散電流（有多子的定向移動形成，即所謂常稱的電流）。在一定范成，即所謂常稱的電流）。在一定范圍內，外電場越強，正向電流越大，圍內，外電場越強，正向電流越大，PN結對正向電流呈低電阻狀態，這種結對正向電流呈低電阻狀態，這種情況就稱為情況就稱為PN結正向導通。結正向導通。PN結的結的正向導通作用原理圖如圖正向導通作用原理圖如圖2-6所示。所示。 2022-5-311 2022-5-312 20

13、22-5-313 2022-5-314 2022-5-315 2022-5-316 2022-5-317 4）最高工作頻率）最高工作頻率 Mf5）二極管使用注意事項）二極管使用注意事項 1）直流電阻）直流電阻DDDIURDRQDR 2022-5-3192）交流電阻（動態電阻）交流電阻（動態電阻） drtgIUr1ddrQdrIIUgrmV261TddK300T 圖2-12 理想模型 a)U-I 特性 b)、c)符號及等效模型2022-5-321 圖2-13 小信號模型 a)U-I 特性 b)電路符號2022-5-322圖2-14 小信號模型 2022-5-323 V6S1UV3140sin2

14、. 0s2tu k1SR圖2-172022-5-324 0s2uDImA3 . 5k1V)7 . 06(SFS1DRUUI 9 . 45.3mAmV26mV26DdIr 0S1UdimA3140sin2 . 0k)109 . 41 (V3140sin2 . 03dDs2dttrRuimA)3124sin2 . 03 . 5(dDDtiIi2022-5-325 0s2uDImA3 . 5k1V)7 . 06(SFS1DRUUI 9 . 45.3mAmV26mV26DdIr 0S1UdimA 3140sin2 . 0k)109 . 41 (V3140sin2 . 03dDs2dttrRuimA)3

15、140sin2 . 03 . 5(dDDtiIi2022-5-326 ZUZmaxI2022-5-327 ZmaxI ZI ZUZmP Zr ZU2022-5-328 2022-5-329 2022-5-3302022-5-331 2022-5-332 tUu sin222 2u)0( sin222OttUuu 2u )2( sin222VDttUuu2022-5-333 L2LOO45. 0RURUI202202O222)(sin221)(21UttdUtduU2022-5-334DILIODFIII2RM2UU 2022-5-335 2u2uD1iLRD2iLR 2022-5-33622O

16、9 . 022UUUL2O9 . 0RUI DILILD2D1F21IIII 22UUUU22DMRM 2022-5-338 2uLRLR2u 2022-5-339 22O9 . 022UUUL2D45. 0RUI2u2DRM2UU OF21II 2RM2UU2022-5-340 2022-5-3412O45. 0UUL2LOO45. 0RURUIODFIII2RM2UU2022-5-342 2O9 . 0 UUL2LOO9 . 0RURUI2/ODFIII2RM22UU2022-5-3432O9 . 0 UUL2LOO9 . 0RURUI2/ODFIII2RM2UU 697頁 泛讀應用二：自動感應節能燈電路應用二：自動感應節能燈電路自動感應節能燈電路 2022-5-349直流分量的幅值負載上最低次諧波分量S 直流分量效值負載上交流分量的總有 2022-5-350 2022-5-351 LROU為使濾波效果良好，一般取時間常數的值大一些，通常選取為使濾波效果良好，一般取時間常數的值大一些，通常選取2/)53(LTCR 考慮電網電壓的波動，電容考慮電網電壓的波動，電容C C的耐壓值可選為的耐壓值可選為（1.51.52 2）U22O(AV)0 . 1 UU2O(AV)2 . 1