电工学导论 第六章

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1、 第6章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用返回返回 武汉工程大学武汉工程大学电工教研室电工教研室目目 录录 6.1 半导体基础知识半导体基础知识 6.2 半导体二极管半导体二极管 6.3 二极管的应用二极管的应用 6.4 特殊二极管特殊二极管 6.5 直流稳压电源直流稳压电源6.1 6.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体：半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的间的 物质。物质。半导体特性：半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性 本征半导体就是完全纯净的半导体。本征半导体就是完全纯净的半导体。 应用最多的本征半应用最多

2、的本征半导体为锗和硅，它们导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都各有四个价电子，都是四价元素是四价元素.硅的原子结构硅的原子结构 纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来 本征半导体晶体结构中的共价健结构本征半导体晶体结构中的共价健结构6.1.16.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi共价键共价键价电子价电子6.1.1 6.1.1 本征半导体本征半导体 共价键中的电子共价键中的电子在获得一定能量在获得一定能量后，即可挣脱原后，即可挣脱原子核的束缚，成子核的束缚，成为自由电子为自由电子同时在共价键中同时在共价键中留下一个空穴。留下一个空穴

3、。空穴空穴SiSiSiSi自由自由电子电子热激发与复合现象热激发与复合现象 由于受热或光照由于受热或光照产生自由电子和产生自由电子和空穴的现象空穴的现象- 热激发热激发6.1.1 6.1.1 本征半导体本征半导体 自由电子自由电子在运动中遇在运动中遇到空穴后，到空穴后，两者同时消两者同时消失，称为复失，称为复合现象合现象 温度一定时，本温度一定时，本征半导体中的自由征半导体中的自由电子电子空穴对的数空穴对的数目基本不变。温度目基本不变。温度愈高，自由电子愈高，自由电子空穴对数目越多空穴对数目越多。SiSiSiSi自由电子空穴半导体导电方式半导体导电方式 在半导体中，在半导体中，同时存在着电子同

4、时存在着电子导电和空穴导电，导电和空穴导电，这是半导体导电这是半导体导电方式的最大特点，方式的最大特点，也是半导体和金也是半导体和金属在导电原理上属在导电原理上的本质差别。的本质差别。载流子载流子自由电子和空穴自由电子和空穴 因为，温度愈因为，温度愈高，载流子数目愈高，载流子数目愈多，导电性能也就多，导电性能也就愈好，所以，温度愈好，所以，温度对半导体器件性能对半导体器件性能的影响很大。的影响很大。6.1.1 6.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi价电子空穴 当半导体两端当半导体两端加上外电压时，自加上外电压时，自由电子作定向运动由电子作定向运动形成电子电流；而形成电子电流；而空穴的

5、运动相当于空穴的运动相当于正电荷的运动正电荷的运动6.1.2 N6.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或掺入微量的磷（或其它五价元素）。其它五价元素）。 自由电子是多数自由电子是多数载流子，空穴是载流子，空穴是少数载流子。少数载流子。 电子型半导体电子型半导体或或N N型半导体型半导体SiSiP+Si多余电子6.1.2 N6.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体P P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入硼（或其它掺入硼（或其它三价元素）。三价元素）。 空穴是多数载流子，空穴是多数载流

6、子，自由电子是少数载自由电子是少数载流子。流子。 空穴型半导体空穴型半导体或或P P型半导体。型半导体。SiSiB-Si空穴6.1.2 N6.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是但是整个晶体仍然是不带电不带电的的。返回 6.1.3 6.1.3 PNPN结结PNPN结的形成结的形成自由电子PN空穴PN结是由扩散运动形成的结是由扩散运动形成的PN结的形成结的形成自由电子PN 空间电荷区内电场方向空穴PNPN结的形成结的形成扩散运动和漂移运动的动态平

7、衡扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强扩散强漂移运动增强漂移运动增强内电场增强内电场增强两者平衡两者平衡PNPN结宽度基本稳定结宽度基本稳定外加外加电压电压平衡平衡破坏破坏扩散强扩散强漂移强漂移强PNPN结导通结导通PNPN结截止结截止PN结的单向导电性1 外加正向电压使PN结导通PNPN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的电流结的电流基本是多子的扩散电流基本是多子的扩散电流正向电流正向电流+变窄PN内电场 方向外电场方向RIPN结的单向导电性2 外加反向电压使PN结截止 PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电流结的电流是少子的漂移

8、电流 -反向电流反向电流特点特点: : 受温度影响大受温度影响大原因原因: : 反向电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的+ - 变 宽PN内电场 方向外电场方向RI=0PN结的单向导电性结结 论论 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。反向电流很小。返回6.2 6.2 半导体二极管半导体二极管PN结阴极引线铝合金小球金锑合金底座N型硅阳极

9、引线面接触型面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型点接触型表示符号表示符号伏安特性伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压 半导体二极半导体二极管的伏安特性管的伏安特性是非线性的。是非线性的。正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压 死区电压：死区电压： 硅管：硅管：0.5伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.1伏左右。伏左右。 正向压降：正向压降： 硅管：硅管：0.7伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。伏。伏安特性伏安特性1 正向特性正向特性反向电

10、流：反向电流：反向饱和电流：反向饱和电流：反向击穿电压反向击穿电压U（BR）伏安特性伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压2 反向特性反向特性伏安特性的折线化U0U0US主要参数主要参数1 最大整流电流最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。2 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3 反向峰值电流反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流

11、值。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。应用举例应用举例 主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 例例: 图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接负电源接负电源-12V。VY=+2.7V解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通后，导通后， DB上加的是反向电压，上加的是反向电压，因而截止。因而截止。DA起钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离