第二章半导体二极管及其基本电路
学习要求:
(1)了解半导体器件中扩散与漂移的概念,PN结形成的原理.
(2)掌握半导体二极管的单向导电特性和伏安特性.
(3)掌握二极管基本电路及其分析方法.
(4)熟悉硅稳压管的稳压原理和主要参数.
第一节 半导体的基本知识
多数现代电子器件是由性能介于导体与绝缘体之间的半导体材料制成的.为了从电路的观点理解这些器件的性能,首先必须从物理的角度了解它们是如何工作的.
一,半导体材料
从导电性能上看,物质材料可分为三大类:
导体: 电阻率ρ 109 Ω·cm
半导体:电阻率ρ介于前两者之间.
目前制造半导体器件的材料用得最多的有:硅和锗两种
二,本征半导体及本征激发
1,本征半导体
没有杂质和缺陷的半导体单晶,叫做本征半导体.
2,本征激发
当温度升高时,电子吸收能量摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程,称为本征激发.
三,杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质, 就会使半导体的导电性能发生显著的变化.因掺入杂质不同,杂质半导体可分为空穴(P)型半导体和电子(N)型半导体两大类.
1,P型半导体
在本征半导体中掺入少量的三价元素杂质就形成P型半导体,P型半导体的多数载流子是空穴,少数载流子是电子.
2,N型半导体
在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N型半导体.N型半导体的多数载流子是电子,少数载流子是空穴.
第二节 PN结的形成及特性
一,PN结及其形成过程
在杂质半导体中, 正负电荷数是相等的,它们的作用相互抵消,因此保持电中性.
1,载流子的浓度差产生的多子的扩散运动
在P型半导体和N型半导体结合后,在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差,N型区内的电子很多而空穴很少,P型区内的空穴很多而电子很少,这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散,因此,有些电子要从N型区向P型区扩散,也有一些空穴要从P型区向N型区扩散.
2,电子和空穴的复合形成了空间电荷区
电子和空穴带有相反的电荷,它们在扩散过程中要产生复合(中和),结果使P区和N区中原来的电中性被破坏. P区失去空穴留下带负电的离子,N区失去电子留下带正电的离子, 这些离子因物质结构的关系,它们不能移动,因此称为空间电荷,它们集中在P区和N区的交界面附近,形成了一个很薄的空间电荷区,这就是所谓的PN结.
3,空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动
在空间电荷区后,由于正负电荷之间的相互作用,在空间电荷区中形成一个电场,其方向从带正电的N区指向带负电的P区,由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的,故称为内电场.因为内电场的方向与电子的扩散方向相同,与空穴的扩散方向相反,所以它是阻止载流子的扩散运动的.
综上所述,PN结中存在着两种载流子的运动.一种是多子克服电场的阻力的扩散运动;另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动.因此,只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时,空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定. 由于两种运动产生的电流方向相反,因而在无外电场或其他因素激励时,PN结中无宏观电流.
二,PN结的单向导电性
PN结在外加电压的作用下,动态平衡将被打破,并显示出其单向导电的特性.
1,外加正向电压
当PN结外加正向电压时,外电场与内电场的方向相反,内电场变弱,结果使空间电荷区(PN结)变窄.同时空间电荷区中载流子的浓度增加,电阻变小.这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压用VF表示.
在VF作用下,通过PN结的电流称为正向电流IF.外加正向电压的电路如图所示.
2,外加反向电压
当PN结外加反向电压时,外电场与内电场的方向相同,内电场变强,结果使空间电荷区(PN结)变宽, 同时空间电荷区中载流子的浓度减小,电阻变大.这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电压用VR表示.在VR作用下,通过PN结的电流称为反向电流IR或称为反向饱和电流IS.如下图所示.
3,PN结的伏安特性
根据理论分析,PN结的伏安特性可以表达为: 式中iD为通过PN结的电流,vD为PN结两端的外加电压;VT为温度的电压当量=kT/q=T/11600=0.026V,其中k为波尔慈曼常数(1.38×10-23J/K),T为绝对温度(300K),q为电子电荷(1.6×10-19C);e为自然对数的底;IS为反向饱和电流.
第三节 半导体二极管
一,半导体二极管的结构

半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类.
点接触型二极管是由一根很细的金属触丝(如三价元素铝)和一块半导体(如锗)的表面接触,然后在正方向通过很大的瞬时电流,使触丝和半导体牢固地熔接在一起,三价金属与锗结合构成PN结,并做出相应的电极引线,外加管壳密封而成,如图 2.7所示.由于点接触型二极管金属丝很细, 形成的PN结面积很小, 所以极间电容很小,同时,也不能承受高的反向电压和大的电流.这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件,也可用来作小电流整流. 如2APl是点接触型锗二极管, 最大整流电流为16mA, 最高工作频率为15OMHz.
面接触型或称面结型二极管的PN结是用合金法或扩散法做成的,其结构如图2.7 所示.由于这种二极管的PN结面积大,可承受较大的电流,但极间电容也大.这类器件适用于整流,而不宜用于高频电路中.如2CPl为面接触型硅二极管,最大整流电流为40OmA,最高工作频率只有3kHz.
图2.7中的硅工艺平面型二极管结构图, 是集成电路中常见的一种形式.代表二极管的符号也在图2.7中示出.
部分二极管实物如图2.8所示.
二,极管的伏安特性

实际的二极管的V-I特性如图2.9所示.由图可以看出,二极管的V-I特性和PN结的V-I特性(图2.6)基本上是相同的.下面对二极管V-I特性分三部分加以说明:
1,正向特性:二极管外加正向偏置电压时的V-I特性
对应于图2.9(b)的第①段为正向特性,此时加于二极管的正向电压只有零点几伏,但相对来说流过管子的电流却很大,因此管子呈现的正向电阻很小.但是,在正向特性的起始部分,由于正向电压较小,外电场还不足以克服PN结的内电场,因而这时的正向电流几乎为零,二极管呈现出一个大电阻,好像有一个门坎. 硅管的门坎电压Vth(又称死区电压)约为0·5V,锗管的Vth约为0·lV,当正向电压大于Vth时,内电场大为削弱,电流因而迅速增长.
2,反向特性:二极管外加反向偏置电压时的V-I特性
P型半导体中的少数载流子(电子)和N型半导体中的少数载流子(空穴),在反向电压作用下很容易通过PN结, 形成反向饱和电流.但由于少数载流子的数目很少,所以反向电流是很小的, 如图2.9(b)的第②段所示, 一般硅管的反向电流比锗管小得多,其数量级为:硅管nA级,锗管大mA级.温度升高时,由于少数载流子增加,反向电流将随之急剧增加.
3,反向击穿特性:二极管击穿时的V-I特性
当增加反向电压时, 因在一定温度条件下,少数载流子数目有限,故起始一段反向电流没有多大变化,当反向电压增加到一定大小时,反向电流剧增,这叫做二极管的反向击穿, 对应于图2.9的第③段,其原因与PN结击穿相同.
三,二极管的主要参数
1,最大整流电流 IF:是指管子长期运行时,允许通过的最大正向平均电流.因为电流通过PN结要引起管子发热,电流太大,发热量超过限度,就会使PN结烧坏.例如2APl最大整流电流为16mA.
2,反向击穿电压 VBR:指管子反向击穿时的电压值.击穿时,反向电流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至因过热而烧坏.一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半,以确保管子安全运行.例如2APl最高反向工作电压规定为2OV, 而反向击穿电压实际上大于40V.
3,反向电流 IR:指管子末击穿时的反向电流, 其值愈小,则管子的单向导电性愈好.由于温度增加,反向电流会急剧增加,所以在使用二极管时要注意温度的影响.
4,极间电容 CJ:二极管的极间电容包括势垒电容和扩散电容,在高频运用时必须考虑结电容的影响.二极管不同的工作状态,其极间电容产生的影响效果也不同.
二极管的参数是正确使用二极管的依据,一般半导体器件手册中都给出不同型号管子参数.使用时,应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压,否则将容易损坏管子.
第四节 二极管基本电路及其分析方法
在电子技术中,二极管电路得到广泛的应用.本节只介绍几种基本的电路,如限幅电路,开关电路,低电压稳压电路等.
二极管是一种非线性器件,因而二极管电路一般要采用非线性电路的分析方法.这里主要介绍比较简单理想模型和恒压模型分析法.
一,二极管正向特性的数学模型
1,理想模型--理想的开关
图2.10表示理想二极管的VI特性和符号,其中的虚线表示实际二极管的VI特性.由图中可见,在正向偏置时,其管压降为OV,而当二极管处于反向偏置时,认为它的电阻为无穷大,电流为零.在实际的电路中,当电源电压远比二极管的管压降大时,利用此法来近似分析是可行的.
2,恒压模型--其正向压降为0.7V(硅管)
这个模型如图2.11所示,其基本思想是当二极管导通后,其管压降认为是恒定的,且不随电流而变,典型值为0.7V,不过,这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的.该模型提供了合理的近似,因此应用也较广.
二,模型分析法应用举例
1,静态工作点分析
电路如图2.12所示,请分别用二极管的理想模型和恒压模型分析其静态工作点.
(1)使用理想模型得:VD=0V,ID=VDD/R
(2)使用恒压模型得:VD=0.7V,ID=(VDD-VD)/R
上述的计算结果表明:VDD>>VD时,使用恒压模型较好,因此,根据实际情况选择合适的模型是关键.
2,模型分析法应用举例
例题1:如果图示电路(a)中设二极管为恒压模型.求电路中输出的电压Vo值说明二极管处于何种状态
解:假设先将A,B断开,则VA = -10V, VB = -5V,∴VAB= VA-VB= -5V,可见重新接入后二极管将处于反向截止状态:电路中电流为0(反向电阻无穷大),∴电阻R上的压降为0,Vo = -5V成立.
例题2:如果图2.13所示电路(b)中设二极管为恒压模型.求电路中输出的电压Vo值说明二极管处于何种状态
解:∵将D1,D2断开,VB1A=9V,VB2A= -12-(-9)=-3V ∴将D1,D2接入后,D1导通,D2截止,VA被D1箝位在-0.7V上.∴Vo= VA= -0.7V成立.
第五节 特殊二极管
除前面所讨论的普通二极管外,还有若干种特殊二极管,如齐纳二极管,变容二极管,光电子器件(包括光电二极管, 发光二极管和激光二极管)等,本节主要讨论齐纳二极管及其应用.
一,齐纳二极管
齐纳二极管又称稳压二极管,是一种特殊的面接触型硅晶体二极管.由于它有稳定电压的作用,经常应用在稳压设备和一些电子线路中.

稳压二极管的特性曲线与普通二极管基本相似,只是稳压二极管的反向特性曲线比较陡.
稳压二极管的正常工作范围,是在伏安特性曲线上的反向电流开始突然上升的A,B段. 这一段的电流, 对于常用的小功率稳压管来讲,一般为几毫安至几十毫安.
1,稳压二极管的主要参数
(1)稳定电压Vz
稳定电压就是稳压二极管在正常工作时,管子两端的电压值.这个数值随工作电流和温度的不同略有改变,既是同一型号的稳压二极管,稳定电压值也有一定的分散性, 例如2CW14硅稳压二极管的稳定电压为6～7.5V.
(2)耗散功率PM
反向电流通过稳压二极管的PN结时,要产生一定的功率损耗,PN结的温度也将升高. 根据允许的PN结工作温度决定出管子的耗散功率.通常小功率管约为几百毫瓦至几瓦.
(3)稳定电流IZ,最小稳定电流IZmin,大稳定电流IZmax
稳定电流:工作电压等于稳定电压时的反向电流;
最小稳定电流:稳压二极管工作于稳定电压时所需的最小反向电流;
最大稳定电流:稳压二极管允许通过的最大反向电流.
2,稳压二极管的应用
稳压管常用在整流滤波电路之后,用于稳定直流输出电压的小功率电源设备中.
如图由R,Dz组成的就是稳压电路,稳压管在电路中稳定电压的原理如下:

只要R参数选得适当,就可以基本上抵消Vi的升高值,因而使Vo基本保持不变.
可见,在这种稳压电路中, 起自动调节作用的主要是稳压二极管Dz,当输出电压有较小的变化时, 将引起稳压二极管电流Iz的较大变化,通过限流电阻R的补偿作用,保持输出电压Vo基本不变.
限流电阻R的选择:
1,当I0 = I0min,VI = VImax 时 要求:

2,当I0 = I0max,VI = VImin 时 要求:

故R的取值范围为:

本章小结

PN结是半导体二极管和其他有源器件的重要环节,它是由P型半导体和N型半导体结合而成.对纯净的半导体掺入受主杂质或施主杂质,便可可制成P型或N型半导体.空穴导电是半导体不同于金属导电的重要特性.
2,PN结中的P型半导体和N型半导体的交界处形成一个空间电荷区或耗尽区.当PN结外加正向电压时,耗尽区变窄,有电流通过;而当外加反向电压时,耗尽区变宽,没有电流流过或电流极小,这就是半导体二极管的单向导电性.
3,二极管的主要参数有最大整流电流,最高反向工作电压和反向击穿电压.在高频电路中,还要注意它的最高工作频率.
4,齐纳二极管是一种特殊二极管,利用它在反向击穿状态下的恒压特性,常用它来构成简单的稳压电路.它的正向压降与普通二极管相近.
5其它非线性器件如变容二极管,光电二极管等均具有非线性的特点,其中光电子器件在信号处理,存储和传输中获得了广泛的应用.
6,二极管电路的分析,主要采用模型分析法.在分析电路的静态情况时,根据输入信号的大小,选取用不同的模型;只有当信号很微小时,才采用小信号模型.