1、第 3 章 半 導 體 二 極 管 及 其 基 本 應 用 電 路 3.1 半導體基礎知識 3.2 半導體二極管及其基本應用電路 3.3 穩壓二極管及其基本應用電路3.1 半導體的基礎知識3.1.1 本征半導體與雜質半導體3.1.2 PN結3.1 半導體基礎知識 物質的導電特性取決于原子結構，最外層電子受原子核的束縛力的大小來判斷該物質的導電性。物質按導電性能的分類：導體：低價元素，如銅、鐵、鋁等金屬，最外層電子受原子核的束縛力很小，極易形成自由電子。在外電場作用下, 這些電子產生定向運動(稱為漂移運動)形成電流, 具有較好的導電特性。絕緣體：高價元素(如惰性氣體)和高分子物質(如橡膠, 塑料

2、)最外層電子受原子核的束縛力很強，不易形成自由電子，導電性極差。半導體：導電特性介于導體和絕緣體之間。半導體的電阻率為10-3109 cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。3.1.1 本征半導體與雜質半導體 (1)本征半導體的共價鍵結構(2)電子空穴對 (3)空穴的移動1、本征半導體純凈晶體結構的半導體稱為本征半導體。材料：硅和鍺（均為四價元素，在原子結構中最外層軌道上有四個價電子。 ） 圖3.1 硅原子空間排列及共價鍵結構平面示意圖 (a) 硅晶體的空間排列 (b) 共價鍵結構平面示意圖 (1）本征半導體的共價鍵結構把硅或鍺材料拉制成單晶體時, 相鄰兩個原子的一對最外層電子

3、(價電子)成為共有電子, 它們一方面圍繞自身的原子核運動, 另一方面又出現在相鄰原子所屬的軌道上。即價電子不僅受到自身原子核的作用, 同時還受到相鄰原子核的吸引。于是, 兩個相鄰的原子共有一對價電子, 組成共價鍵結構。故晶體中, 每個原子都和周圍的個原子用共價鍵的形式互相緊密地聯系起來,這種結構的立體和平面示意圖見圖3.1。(c) （2）電子空穴對 當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。 自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現出正電性，其正電

4、量與電子的負電量相等，人們常稱呈現正電性的這個空位為空穴。 這一現象稱為本征激發，也稱熱激發。 可見因熱激發而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合，如圖3.2所示。 本征激發和復合在一定溫度下會達到動態平衡。 圖3.2 本征激發和復合的過程 (3) 空穴的移動 自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現的。見圖3.3的動畫演示。圖3.3 空穴在晶格中的移動半導體中存在兩種載流子：帶負電的自由電子和帶正電的空穴。2、雜質半導體(1) N

5、型半導體(2) P型半導體 在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。 (1）N型半導體 在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成 N型半導體,也稱電子型半導體。 因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。 在N型半導體中自由電子是多數載流子,它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子, 由熱激發形成。 提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。N型半導體的結構示意圖如圖

6、3.4所示。 圖3.4 N型半導體結構示意圖(2) P型半導體 在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。 因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。 P型半導體中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成； 電子是少數載流子，由熱激發形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質 因而也稱為受主雜質。P型半導體的結構示意圖如圖3.5所示。圖3.5 P型半導體的結構示意圖 圖3.5 P型半導體的結構示意圖 結論：（1）多子的濃度主要取決于摻入的雜質，受溫度的影響很小；（2）少子的濃度雖然很低，但是它受溫度的影響很大

7、，少子濃度對溫度的敏感性是致使半導體器件溫度特性差的主要原因。3.1.2 PN結2、PN結的形成3、PN結的單向導電性1、載流子的漂移運動和擴散運動1、載流子的漂移運動和擴散運動載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動，所形成的電流稱為漂移電流。同一半導體中，自由電子和空穴形成的漂移電流方向一致，電場越強，漂移電流越大。載流子因濃度差而進行的定向運動稱為擴散運動，形成擴散電流。若沒有外來的超量載流子注入或電場的作用，半導體內的載流子濃度逐漸趨于均勻直至擴散電流為零。2、PN結的形成 在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面

8、上形成如下物理過程: 因濃度差 多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區 空間電荷區成內電場 內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散 最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。在空間電荷區，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 圖3.6 PN結的形成過程 PN 結形成的過程可參閱圖3.6。3、PN結的單向導電性 如果外加電壓使PN結中： P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏； PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區流到N區， PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 P區的電位低于N區的電位，稱為加反向

9、電壓，簡稱反偏。 (1) PN結加正向電壓時的導電情況 外加的正向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是,內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。 PN結加正向電壓時的導電情況如圖3.7所示。圖3.7 PN結加正向電壓時的導電情況 (2) PN結加反向電壓時的導電情況 外加的反向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現高阻性

10、。 在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。 PN結加反向電壓時的導電情況如圖3.8所示。圖 3.8 PN結加反向電壓時的導電情況 PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。3.2 半導體二極管及其基本應用電路3.2.1 二極管的伏安特性3.2.2 二極管的等效電路及其分析方法3.2.3 基本應用電路1、正向特性 硅二極管的死區電壓Uth=0.5 V左右， 鍺二極管的死區電壓Uth=

11、0.1 V左右。 當0UUth時，正向電流為零，Uth稱為死區電壓或開啟電壓。 當U0即處于正向特性區域。正向區又分為兩段： 當UUth時，開始出現正向電流，并按指數規律增長。3.2.1 二極管的伏安特性2、反向特性和擊穿特性當U0時，即處于反向特性區域。反向區也分兩個區域： 當UBRU0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS 。 當UUBR時，反向電流急劇增加，UBR稱為反向擊穿電壓 。由于擊穿破壞了結的單向導電特性, 因而一般使用時應避免出現擊穿現象。 在反向區，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。 硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和

12、電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。 發生擊穿并不一定意味著結被損壞。當PN結反向擊穿時, 只要注意控制反向電流的數值(一般通過串接電阻實現), 不使其過大, 以免因過熱而燒壞結, 當反向電壓(絕對值)降低時, 結的性能就可以恢復正常。 式中IS 為反向飽和電流，U 為二極管兩端的電壓降，UT =kT/q 稱為溫度的電壓當量，k為玻耳茲曼常數，q 為電子電荷量，T 為熱力學溫度。對于室溫（相當T=300 K），則有UT=26 mV。 半導體二極管的伏安特性曲線如圖3.9所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。根據理論推導，

13、二極管的伏安特性曲線可用下式表示(1.1)圖 3.9 二極管的伏安特性曲線3、伏安特性的數學表示（1）uD0時PN結正向偏置，（2） uD0時PN結反向偏置，當溫度一定時，反向飽和電流是個常數IS。4、二極管的主要參數 半導體二極管的主要參數包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓UBR、最高反向工作電壓UR、反向電流IR、最高工作頻率fM和結電容Cj等。幾個主要的參數介紹如下： (1) 最大整流電流IF二極管長期連續工作時，允許通過的最大正向平均電流。工作時應使平均工作電流小于, 如超過,二極管將過熱而燒毀。此值取決于結的結面積、材料和散熱情況。 (2) 反向擊穿電壓UBR和最大反向工作電壓UR

14、二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。 為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓UR一般只按反向擊穿電壓UBR的一半計算。 (3) 反向電流IR(4)最高工作頻率f 在室溫下，在規定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。此值越小, 二極管的單向導電性越好。由于反向電流是由少數載流子形成, 所以值受溫度的影響很大。 信號頻率超過此值時，結電容的容抗變得很小，使二極管反偏時的等效阻抗變得很小，于是，二極管的單向導電性能將變壞。f的值主要取決于結結電容的大小, 結電容越大, 則二極管允許的最高工作

15、頻率越低。 3.2.2 二極管的等效電路及其分析方法1、圖解分析法無需進行復雜的指數或對數運算（要求二極管伏安特性已知）例3.1設簡單二極管基本電路如圖.10（）所示，已知，。二極管伏安特性曲線如圖-（）所示，試用圖解分析法求該電路的 點。圖.102、模型分析法1）折線近似法（1）理想模型（2）恒壓降模型（3）折線模型2)小信號模型二極管小信號模型的微變等效電阻3.2.3 基本應用電路1、整流電路2、限幅電路3、開關電路3.3.1 穩壓二極管 穩壓二極管是應用在反向擊穿區的特殊硅二極管。穩壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩壓二極管伏安特性曲線的反向區、符號和典型應用電路

16、如圖3.11所示。圖見下頁3.3 穩壓二極管及其基本應用電路穩壓管正常工作時處于反向擊穿區 圖 3.11 穩壓二極管的伏安特性 (a)符號 (b) 伏安特性 (c)應用電路(b)(c)(a) 從穩壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩壓二極管的參數。 (1) 穩定電壓UZ 在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。 穩定電壓是挑選穩壓管的主要依據之一。不同型號的穩壓管, 其穩定電壓值不同。同一型號的管子, 由于制造工藝的分散性, 各個管子的值也有差別。例如穩壓管DW7C, 其.1.V, 表明均為合格產品, 其穩定值有的管子是.V, 有的可能是.V等等, 但這并不意味著同一個管子的穩定

17、電壓的變化范圍有如此大。 (2) 穩定電流IZ 穩定電流是使穩壓管正常工作時的最小電流, 低于此值時穩壓效果較差。工作時應使流過穩壓管的電流大于此值。一般情況是, 工作電流較大時, 穩壓性能較好。(3) 動態電阻rZ 其概念與一般二極管的動態電阻相同，只不過穩壓二極管的動態電阻是從它的反向特性上求取的。rZ =UZ /IZ rZ愈小，反映穩壓管的擊穿特性愈陡。rZ值越小, 則穩壓性能越好。同一穩壓管,一般工作電流越大時, rZ值越小。 通常手冊上給出的rZ值是在規定的穩定電流之下測得的。 穩壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。 電阻的作用一是起限流作用，以保護穩壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降