第一章 半导体二极 管及其应用 第一章 半导体二极 管及其应用 山东工业职业学院电气工程系制作

第一章 半导体二极管及其应用 § 1.1 半导体的基本知识 § 1.2 半导体二极管 § 1.3 半导体二极管的型号与检测 § 1.4 半导体二极管的应用 § 1.5 特殊二极管简介

§1.1 半导体的基本知识 1.1.1 半导体的基本知识 导体：自然界中容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。 1.1.1 半导体的基本知识 导体：自然界中容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。 绝缘体：不导电的物质，称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、玻璃、和塑料等。 半导体：另有一类物质的导电性能介于导体和绝缘体之间，称为半导体，常用的半导体材料是锗和硅。

半导体的三个奇妙特性： 光敏特性、热敏特性和掺杂特性 1、光敏特性：即半导体的导电能力对光照辐射很敏感。对半导体施加光线照射时，光照越强，等效电阻越小，导电能力越强。利用半导体的光敏性，可以制成光敏检测元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池等，可用于路灯、航标灯的自动控制或制成火灾报警装置、光电控制开关等。

2、热敏特性：即半导体的导电能力对温度很敏感。温度升高，将使半导体的导电能力大大增强。例如，纯锗，温度每升高10℃它的导电能力要增加一倍(电阻率会减少到原来的一半)。利用半导体对温度十分敏感的特性，可以制成自动控制中常用的热敏电阻(是负温度系数)及其它热敏元件。

3、掺杂特性 “杂质”可以显著改变(控制)半导体的导电能力。这里所说的“杂质”是指人为地、有目的的、在纯净的半导体(通常称本征半导体)中掺入的极其微量的三价或五价元素(如硼、磷)。在本征半导体中掺入微量的杂质元素，则它的导电能力将大大增强。例如在纯硅中掺入一亿分之一的硼元素，其导电能力可以增加两万倍以上。利用掺杂半导体可以制造出晶体二极管、晶体三极管、场效应管、晶闸管和集成电路等半导体器件。 这也说明，任何东西的特性本身无所谓好坏，主要是看人们如何去利用它们。

一、本征半导体的结构特点 本征半导体是纯净的不含杂质的晶体结构完整的半导体，硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。 Ge Si

半导体是晶体结构 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。 硅和锗的晶体结构：

硅和锗的共价键结构示意图 +4 共价键共 用电子对 +4表示除去价电子后的原子核和内层电子

形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。 +4 共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

1.载流子、自由电子和空穴 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有载流子（即载有电荷并可以参与导电的粒子），相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。

+4 空穴 自由电子 束缚电子

在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。 2.本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。 在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。 +4

温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。 本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。

在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。 P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。

一、N 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。

多余 电子 N 型半导体中的载流子是什么？ 磷原子 +4 +5 1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。

二、P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。 +4 +3 空穴 硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。

三、杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。 － P 型半导体 + N 型半导体 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。

1.1. 2 PN 结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处会形成一个特殊的导电薄层，这个特殊的导电薄层称为PN 结。

空间电荷区， 也称耗尽层。 内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。 漂移运动 P型半导体 N型半导体 内电场E － － － + + + + + + 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。 扩散运动

所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。 漂移运动 P型半导体 － N型半导体 + 扩散运动 内电场E 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。

N + P - PN结的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。 势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。 扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。 P + - N

PN结高频小信号时的等效电路： rd 势垒电容和扩散电容的综合效应

电位V V0 － + P型区 空间电荷区 N型区

注意: 1.空间电荷区中没有载流子。 2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴.N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。

PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区电位高于N 区电位。

一、PN 结正向偏置 变薄 内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。 － + R E _ + P N 内电场 外电场

二、PN 结反向偏置 变厚 _ + P N R E 内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。 － + _ + P N 内电场 外电场 R E

1. 2 半导体二极管 1.2. 1 半导体二极管的结构和符号 阳极 阴极 二极管的电路符号： PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 点接触型 引线 外壳线 触丝线 基片 面接触型 二极管的电路符号： 阳极 阴极

二极管的主要特性---单向导电 1、二极管的偏置：二极管单向导电的特性，只有外加一定极性的电压（称为偏置）才能表现出来。阳极电位高于阴极电位称为二极管的正向偏置，反之称为反向偏置。 2、二极管的主要特性：单向导电，即正向导通，反向截止。或曰：只能一个方向导电，另一个方向不导电，即由阳极向阴极可以顺利的流电流，反方向不流电流。 只能一个方向 电，

1.2. 3 二极管的伏安特性 I U 导通压降: 硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。 反向击穿电压UBR

1.2. 4 二极管的主要参数 1. 最大整流电流 IFM 2. 最高反向工作电压URM 在规定的环境温度和散热条件下，二极管长期使用时，所允许流过二极管的最大正向平均电流。 2. 最高反向工作电压URM 通常称耐压值或额定工作电压，是指保证二极管截止的条件下，允许加在二极管两端的最大反向电压。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是击穿电压UBR的一半。

指保证二极管导向导电作用的最高工作频率。当工作频率超过fM时，二极管将失去导向导电性。 3. 反向电流 IR 指二极管未击穿时的反向电流。反向电流越小越好。通常反向电流数值很小，但受温度影响很大，温度越高反向电流越大，一般温度每升高10o,反向电流约增大一倍。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。 4. 最最高工作频率fM 指保证二极管导向导电作用的最高工作频率。当工作频率超过fM时，二极管将失去导向导电性。

1.正向导通时死区电压和导通压降均为零，正向导通电流为无穷大。相当于理想开关闭合。 1.2. 5 理想二极管 所谓理想二极管也就是最好的二极管，即： 1.正向导通时死区电压和导通压降均为零，正向导通电流为无穷大。相当于理想开关闭合。 2.反向截至时，反向电流为零，反向击穿电压为无穷大。相当于理想开关断开。

4 半导体二极管的应用 1.4. 1 二极管整流电路 ui uo t RL ui uo

二极管的用举例2： t ui uR uo R RL ui uR uo

§1.5 特殊二极管简介 1.5.1 稳压二极管 I 曲线越陡，电压越稳定。 - + UZ U IZ IZ UZ IZmax 动态电阻： rz越小，稳压性能越好。 U IZ IZ UZ IZmax

稳压管的主要特性 稳压管在反向击穿状态下，流过管子的电流在较大范围内变化时，而管子两端电压却基本不变； 或曰：稳压管在反向击穿状态下，管子两端电压只要有微小的变化，就会引起通过稳压管的电流有很大的变化。 这是稳压管的主要特性。

稳压二极管的参数: （1）稳定电压 UZ （2）电压温度系数U（%/℃） 稳压值受温度变化影响的的系数。 （3）动态电阻 （4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功耗

i iL ui uo iZ 稳压二极管的应用举例 R 稳压管的技术参数: RL DZ 负载电阻 。 要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。 求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。 ——方程1

uo iZ DZ R iL i ui RL 令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。 ——方程2 联立方程1、2，可解得：

1.5.2 变容二极管 利用PN节的电容效 应，并采用特殊工 艺使节电容随反向 电压变化比较灵敏 的一种特殊二极 管。

1.5.3 光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升。 I U 照度增加

1.5.4 发光二极管 有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。

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