第五章 半导体器件与二极管电路

半导体器件基础与二极管电路半导体器件基础与二极管电路第五章半导体器件基础与二极管电路第五章半导体器件基础与二极管电路5.1半导体二极管的工作原理与特性5.2二极管整流电路5.3二极管峰值采样电路5.4二极管检波电路半导体器件基础与二极管电路5.1半导体二极管的工作原理与特性导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。5.1.1PN结及其单向导电性半导体器件基础与二极管电路一、半导体的导电特性典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。（可做成温度敏感元件，如热敏电阻）光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。（可做成各种光电元件，如光电电阻、光电二极管、光电晶体管）掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。（可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管和晶闸管等）半导体器件基础与二极管电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键二、本征半导体的晶体结构当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。半导体器件基础与二极管电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。三、本征半导体中的两种载流子半导体器件基础与二极管电路杂质半导体有两种N型半导体P型半导体1、N型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。四、杂质半导体半导体器件基础与二极管电路本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。见下页自由电子浓度远大于空穴的浓度，即np。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。5价杂质原子称为施主原子。半导体器件基础与二极管电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子半导体器件基础与二极管电路2、P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即pn。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴半导体器件基础与二极管电路在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结五、PN结的形成及其单向导电性半导体器件基础与二极管电路1、PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN①.扩散运动②.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。PN半导体器件基础与二极管电路③.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差Uho——电位壁垒；——内电场；内电场阻止多子的扩散——阻挡层。④.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反阻挡层半导体器件基础与二极管电路⑤.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。对称结即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN不对称结半导体器件基础与二极管电路2、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。PN半导体器件基础与二极管电路在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。2.PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；如下图外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。半导体器件基础与二极管电路耗尽层反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS半导体器件基础与二极管电路综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。半导体器件基础与二极管电路在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型5.1.2半导体二极管的基本结构半导体器件基础与二极管电路1点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。半导体器件基础与二极管电路3平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。2面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底4二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极aD半导体器件基础与二极管电路5.1.3半导体二极管的伏安特性及主要参数二极管的伏安特性曲线可用下式表示0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的伏安特性+iDvD-R正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：0.5V导通电压：0.7)1e(STUuIi一、半导体二极管的伏安特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)开启电压：0.1V导通电压：0.2V半导体器件基础与二极管电路1.正向特性外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向电流几乎为零。这一段称为“死区”。对应于二极管开始导通时的外加电压称为“死区电压”。锗管约为0.2V,硅管约0.5V。2.反向特性外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为反向饱和电流或漏电流。该电流受温度影响很大。3.击穿特性外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。对应的电压称为击穿电压。半导体器件基础与二极管电路1.理想模型2.折线模型3.斜线模型二、半导体二极管的电路模型半导体器件基础与二极管电路(1)最大整流电流IOM(2)反向工作峰值电压UDMR(3)反向电流IR(4)最高工作频率fM三、半导体二极管的主要参数二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流。由PN结结面积和散热条件决定，超过此值工作可能导致过热而损坏。为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压，一般为反向击穿电压的一半。二极管未被击穿时，流过二极管的反向电流。此值越小，单向导电性越好。硅管优于锗管。二极管维持单向导电性的最高工作频率。由于二极管中存在结电容，当频率很高时，电流可直接通过结电容，破坏二极管的单向导电性。半导体器件基础与二极管电路四、温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感–50I/mAU/V0.20.4–2551015–0.01–0.020温度增加在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。半导体器件基础与二极管电路5.1.4稳压二极管一、稳压管的伏安特性(a)符号(b)2CW17伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。DZ半导体器件基础与二极管电路(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率PZM(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)温度系数——VZ二、稳压管的主要参数半导体器件基础与二极管电路一、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V符号u/Vi/mAO2特性5.1.5其它类型的二极管半导体器件基础与二极管电路发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,半导体器件基础与二极管电路二、光电二极管符号和特性符号特性uiOE=200lxE=400lx工作原理：三、变容二极管四、隧道二极管五、肖特基二极管无光照时，与普通二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。半导体器件基础与二极管电路对整流电路要研究清楚以下问题：1.电路的工作原理：二极管工作状态、波形分析2.输出电压和输出电流的平均值：输出为脉动的直流电压3.整流二极管的选择：二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压为分析问题简单起见，设二极管为理想二极管，变压器内阻为0。整流二极管的伏安特性：实际特性理想化特性正向导通电压为0，正向电阻为0。5.2二极管整流电路半导体器件基础与二极管电路一、工作原理u2的正半周，D导通，A→D→RL→B，uO=u2。2u2uu2的负半周，D截止，承受反向电压，为u2；uO=0。5.2.1单相半波整流电路的分析方法及其基本参数优点：使用元件少。缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。半导体器件基础与二极管电路二、输出电压平均值UO（AV）和负载电流的平均值IL（AV）的估算已知变压器副边电压有效值为U2)(dsin2π212π0O(AV)ttUUL2LO(AV)L(AV)45.0RURUIL2L(AV)D(AV)45.0RUII2maxR2UU2RL2F21.145.01.1UURUI22O(AV)45.0π2UUU考虑到电网电压波动范围为±10％，二极管的极限参数应满足：三、二极管的选择半导体器件基础与二极管电路5.2.2单相桥式整流电路一、单向桥式整流电路的组成在实用电路中，多采用全波整流电路，最常用的是单向桥式整流电路半导体器件基础与二极管电路二、工作原理1.u20时，电流由+流出，经D1、RL、D2流入-。2.u20时，电流由-流出，经D3、RL、D4流入+。半导体器件基础与二极管电路三、输出电压平均值UO(AV)和输出电流的平均值IO(AV)2202O(AV)9.022)(tdsin21UUtUUL2LAVOAVORU9.0RUI）（）（＝半导体器件基础与二极管电路四、二极管的选择2maxR2UUL2L(AV)D(AV)45.02RUII2RL2F21.145.01.1UURUI考虑到电网电压波动范围为±10％，二极管的极限参数应满足：