(二)半导体二极管及其应用
1.PN结
半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间(硅和锗)
- 热敏特性:当温度升高时,半导体的导电性能会增强
- 光敏特性:受到光照作用时,半导体的导电性能会增强
- 掺杂特性:在纯净的半导体中加入某种杂质后,半导体的导电性能会增强
本征半导体:完全纯净的半导体
- 本征激发产生自由电子(带负电)和空穴(带正电)
- 电子空穴复合,成对消失
- 在外电场作用下,电子运动形成电子电流;价电子填补空穴而使空穴移动,形成空穴电流
杂质半导体:在本征半导体硅或锗中掺入微量的其他适当元素后所形成的半导体
- N型半导体:在本征半导体中掺入+5价磷元素后形成的半导体
(1) 空穴为少子(少数载流子),自由电子为多子
(2) 半导体中出现大量的自由电子和正离子 - P型半导体:在本征半导体中掺入+3价硼元素后形成的半导体
(1) 空穴为多子,自由电子为少子
(2) 半导体中出现大量的空穴和负离子 - 在杂质半导体中,多数载流子的浓度是由掺入杂质的浓度决定的,与环境温度无关;少数载流子的浓度主要与温度有关
- 整个半导体中的正负电荷数仍然相等,对外呈电中性
PN结的形成:P型和N型半导体在其交界面处形成的空间电荷层
- 以N型(或P型)半导体为基片,通过半导体扩散工艺,使其一边形成P型半导体(另一边为N型半导体)
- 在浓度差的作用下,电子从N区向P区扩散;空穴从P区向N区扩散,从而在P区和N区交界面上,留下了一层不能移动的正,负离子(即空间电荷层,或称PN结)
- PN结形成后,会在半导体内部形成内电场(方向从N区指向P区)
- PN结一方面阻碍多子的扩散,另一方面也会加速少子的漂移
- 当扩散作用与漂移作用达到平衡时,流过PN结的静电流为零,PN结的厚度一定,接触电位差一定
PN结的单向导电性
- PN结的偏置
(1) PN结正向偏置:当外加直流电压使PN结P型半导体一端的电位高于N型半导体一端的电位时,称PN结正向偏置,简称正偏;此时外电场与内电场方向相反,内电场被削弱,PN结变窄,有利于多数载流子的扩散,PN结导通
(2) PN结反向偏置:当外加直流电压使PN结N型半导体一端的电位高于P型半导体一端的电位时,称PN结反向偏置,简称反偏;此时外电场与内电场方向相同,内电场被增强,PN结变宽,不利于多数载流子的扩散,PN结截止
PN结的电压电流关系
- i: 流过PN结的电流
- u: PN结两端的正向电压
- U[T]:热电压(室温下约等于26mV)
- I[S]:PN结反向饱和电流
PN结的反向击穿:当PN结反向偏置电压超过一定大小时,流过PN结的反向电流急剧增加,PN结被反向击穿
- 齐纳击穿:电场将PN结中的价电子从共价键中激发出来(半导体掺杂浓度高,空间电荷层中有较强的电场)
- 雪崩击穿:电场使PN结中的少子碰撞电离共价键中的价电子(半导体的掺杂浓度低,空间电荷层中有较强的电场)
PN结的电容效应
- 扩散电容C[D]:由载流子在扩散运动中的电荷积累形成的
- 势垒电容C[B]:由空间电荷层中电荷量的变化引起的
- PN结结电容C[j] = C[D] + C[B]
2.半导体二极管
半导体二极管的结构:半导体二极管就是一个封装的PN结
半导体二极管的类型
- 按使用半导体材料的不同分为硅管和锗管
- 按结构形式不同分为平面型和电接触型
半导体二极管的伏安特性
- 正向特性:
(1) 与PN结的伏安特性一致
(2) 有死区:正向偏置电压小于某个数值时(导通电压,也称死区电压),二极管上的电流很小几乎为0
(3)导通后(正向偏置电压大于导通电压):电压略有升高,电流急剧增大(硅管的管压降取0.7V,锗管的管压降取0.2V) - 反向特性:
(1) 当反向偏置电压小于击穿电压时,流过二极管的电流为反向饱和电流(接近于0)
(2) 当反向偏置电压大于击穿电压时,二极管上的电流急剧增大,发生反向击穿
温度对半导体二极管特性的影响
- 当温度上升时,死区电压,正向管压降降低
- 温度升高,反向饱和电流增大
半导体二极管的主要电参数
- 额定整流电流I[F]:管子长期运行所允许通过的电流平均值
- 反向击穿电压U[BR]:二极管所能承受的最高反向电压
- 最高允许反向工作电压U[R]:为了确保管子安全工作,所允许的最高反向电压
- 反向电流I[R]:室温下加上规定的反向电压时测得的电流
- 正向电压降U[F]:指通过一定的直流测试电流时的管压降
- 最高工作频率f[M]:当工作频率超过f[M]时,二极管的单向导电性变坏
二极管常用的电路模型
- 理想模型
- 恒压模型
- 折线模型
- 小信号动态模型
3.半导体二极管的应用
- 在整流电路中的应用:将交流电变为直流电的过程
- 在检波电路中的应用
- 在限幅电路中的应用
4.特种二极管
- 硅稳压二极管:通常工作在反向电击穿状态
(1) 正向特性与普通管一致
(2) 反向击穿特性很抖
- 变容二极管:当二极管反向偏置时,反向电阻很大,其结电容的作用大,可作电容使用
5.判断电路中二极管工作状态的方法
- 断开二极管,分析电路断开点的开路电压.如果该电压能使二极管正偏,且大于二极管的死区电压,二极管导通;否则二极管截止
- 如果电路中有两个二极管,断开两个二极管,分别判断各个二极管两端的开路电压,开路电压高的二极管优先导通;当此二极管导通后,再根据电路的约束条件判断另一个二极管的工作状态
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