半导体二极管及其应用
第1章半导体二极管及其应用
本章要点
●半导体基础知识
●PN结单向导电性
●半导体二极管结构、符号、伏安特性及应用
●特殊二极管
本章难点
●半导体二极管伏安特性
●半导体二极管应用
半导体器件是近代电子学的重要组成部分。只有掌握了半导体器件的结构、性能、工作原理和特点，才能正确地选择和合理使用半导体器件。半导体器件具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性强等优点，在各个领域中得到了广泛的应用。半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件，而PN结又是组成二极管和三极管及各种电子器件的基础。本章首先介绍有关半导体的基础知识，然后将重点介绍二极管的结构、工作原理、特性曲线、主要参数以及应用电路等，为后面各章的学习打下基础。
1.1 PN结
1.1.1 半导体基础知识
1. 半导体特性
自然界中的各种物质，按其导电能力划分为：导体、绝缘体、半导体。导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。导体如金、银、铜、铝等；绝缘体如橡胶、塑料、云母、陶瓷等；典型的半导体材料则有硅、锗、硒及某些金属氧化物、硫化物等，其中，用来制造半导体器件最多的材料是硅和锗。
半导体之所以用来制造半导体器件，并不在于其导电能力介于导体与绝缘体之间，而在于其独特的导电性能，主要表现在以下几个方面。
(1) 热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。
(2) 光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。
(3) 掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。这里所说的“杂质”，是指某些特定的纯净的其他元素。在纯净半导体中，只要掺入极微量的杂质，导电能力就急剧增加。一个典型的数据是：如在纯净硅中，掺入百万分之
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一的硼，其导电能力增加约50万倍。
2. 本征半导体
本征半导体是一种完全纯净、具有晶体结构的半导体。在温度为零开尔文(0K，相当于-273.15℃)时，每一个原子的外围电子被共价键所束缚，不能自由移动。这样本征半导体中虽然具有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体呈电中性。
用来制造半导体器件的硅、锗等材料，其原子排列均为紧密的整齐的晶体点阵结构，而硅(元素序号14)或锗(元素序号28)的原子结构最外层都是四个价电子。但是，对于原子核结构而言，最外层有八个电子才是稳定结构，因此，每个原子都要争夺相邻的四个价电子，以求达到稳定状态，结果使得每个原子最外层的四个价电子都既受自身原子核的吸引，围绕自身的原子核转动，又受相邻原子核的吸引，经常出现在相邻原子的价电子轨道上。这样就形成了一种特殊的结构。从而使每个硅(锗)原子最外层形成了拥有八个共有电子的相对稳定的结构。由于每对价电子是每两个相邻原子共有的，因而将这种结构称为“共价键”结构，如图1-1所示。
图1-1 共价键结构
“共价键结构”把相邻的原子结合在一起，由于每个原子的最外层均有八个电子，因而处于相对稳定的状态。但是，也正是由于“共价键”的特殊结构方式，使得原子最外层的共有电子不像绝缘体中被原子核束缚得那样紧。在一定温度下，当共价键中的价电子受到热激发，或从外部获得能量时，共价键中的某些价电子就可以挣脱原子核的束缚，而成为自由电子。既然有些价电子挣脱了原子核的束缚，而成为自由电子，在原来的共价键中，便留下了一些“空位”，我们称之为“空穴”，如图1-2所示。自由电子呈负电性，而失去一个价电子的硅原子则成为+1 价离子，好像这个空位带有+1 价电荷一样，因此空穴呈正电性。显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中电子与空穴的数量总是相等的。把在热或光的作用下，本征半导体中产生电子空穴对的现象，称为本征激发，又称热激发。
由于共价键中出现空位，在外电场或其他能源的作用下，吸引相邻原子中的价电子来填补空穴，当一个价电子填补空穴时，它原来的位置上又出现了新的空穴。如图1-3所示，电子由c→b→a，但仍处于束缚状态，而空位由a→b→c。为了区别于自由电子的运
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动，我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动，一般认为空穴是一种带正电荷的载流子，它所带电荷和电子相等，符号相反。由此可见，本征半导体中存在两种载流子：电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子——电子。本征半导体在外电场作用下，两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同。
图1-2 本征激发产生电子空穴对示意图
图1-3 电子与空穴的移动
3．杂质半导体
在本征半导体中掺入不同的杂质，可以改变半导体中两种载流子的浓度。根据掺入杂质种类的不同，半导体可以分N型半导体(掺入五价元素杂质)和P型半导体(掺入三价元素杂质)。
(1) N型半导体
在纯净的半导体硅(或锗)中掺入微量五价元素(如磷)后，就可以成为 N 型半导体，如图1-4所示。由于五价的磷原子同相邻四个硅(或锗)原子组成共价键时，有一个多余的价电子不能构成共价键，这个价电子就变成了自由电子。因此在这种半导体中，自由电子数远远大于空穴数，导电以电子为主，故此类半导体亦被称为电子型半导体。
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(2) P型半导体
在硅(或锗)的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼(或铟)等。硼原子只有三个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位。当相邻共价键的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位而在该相邻原子中便出现一个空穴，每个硼原子都能提供一个空穴，这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子，具有导电性能。P型半导体共价键结构如图1-5所示。
图1-4 N型半导体共价键结构
图1-5 P型半导体共价键结构
值得注意的是，掺杂在产生空穴的同时，并不能产生新的自由电子，只是原来的晶体本身仍会因热激发产生少量电子空穴对。掺入的三价元素杂质越多，空穴的数量越多。在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，空穴为多数载流子(简称“多子”)，自由电子为少数载流子(简称“少子”)。导电以空穴为主，故此类半导体又被称为空穴型半导体。
1.1.2 PN结
1．PN结的形成
PN结并不是简单地将P型和N型材料压合在一起，它是根据“杂质补偿”的原理，采用合金法或平面扩散法等半导体工艺制成的。虽然PN结的物理界面把半导体材料分为P区和N区，但整个材料仍然保持完整的晶体结构。
当P型半导体和N型半导体结合在一起时，在N型和P型半导体的界面两侧明显地存在着电子和空穴的浓度差，此浓度差导致载流子的扩散运动：N型半导体中电子(多子)向P区扩散，这些载流子一旦越过界面，就会与P区空穴复合，在N区靠近界面处留下正离子；同理，P型半导体中空穴(多子)由于浓度差向N区扩散，与N区中电子复合，在P区靠近界面处留下负离子。伴随着这种扩散和复合运动的进行，在界面两侧附近形成一个由正离子和负离子构成的空间电荷区，如图1-6 所示。
空间电荷区内存在着由N区指向P区的电场，这个电场称为内建电场，该内建电场阻止两区多子的扩散，促进少子的漂移。
显然，半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾的两个方面。随着多子扩散的进行，空间电荷区内的离子数增多，内建电场增强；与此同时，内建电场的增强有利于少子的漂移，漂移电流增大，最终当漂移电流和扩散电流相等时，达到动态平衡，在界面处形成稳定的空间电荷区，通常将其称为PN结，如图1-7所示。这时，再没有净的电流流过PN结，也不会有净的电荷迁移。
第1章 半导体二极管及其应用
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图1-6 P 型半导体与N 型半导体的交界面
图1-7 多子的扩散与空间电荷区的形成
2．PN 结的单向导电性
(1) PN 结加正向电压
所谓PN 结加正向电压，也可称为正向偏置，是指将PN 结的P 区接电源正极，N 区
接电源负极，如图1-8所示。
这时，有外加电场后，外电场的方向刚好与PN 结内电场的方向相反。在外加电场
作用下，PN 结内部扩散与漂移的平衡被打破，而且由于外电场的作用，P 区的多数载流子空穴和N 区的多数载流子电子都要向PN 结移动。P 区的空穴进入PN 结后，将和原来PN 结中的一部分正离子中和，其结果是使N 区的空间电荷量减少，最终结果是使PN 结空间电荷区变窄。空间电荷区的变窄，意味着阻挡层的厚度变薄，内电场进一步被减弱，它对多子扩散的阻力减小，P 区与N 区中能越过PN 结的多数载流子数目大大增加，形成了一个扩散电流。而正向偏置下的PN 结将相当于一个数值很小的电阻，可视为PN 结正向导通。
这种情况下，由少数载流子形成的漂移电流，其方向与扩散电流相反，但数值很小，
常常可忽略不计。
(2) PN 结加反向电压
PN 结加反向电压，是指将PN 结的P 区接电源负极，将其N 区接电源正极，如
图1-9所示。
图1-8 PN 结加正向电压 图1-9 PN 结加反向电压 显然，此时外电场的方向与内电场的方向相同，在这一外电场作用下，P 区中的多子
空穴与N 区中的多子电子都将进一步离开PN 结，使阻挡层的空间电荷量增加。空间电荷区的变宽，意味着阻挡层厚度加大，使P 区和N 区的多数载流子很难越过PN 结，不能再
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形成扩散电流。
另一方面，由于外电场增强了内电场，将使少数载流子的漂移运动更容易进行。在这种情况下，漂移成矛盾的主要方面，而且形成一个反向漂移电流。由于少子的浓度低，漂移的数量小，这个反向漂移电流也很小，一般为微安数量级。而整个PN结表现为一个很大的电阻，可视为PN结反向截止。
这里，有一点需要特别说明的是，反向漂移电流具有明显的饱和性，这是因为，少数载流子是由本征激发所产生的，其数值取决于温度，而与外加电压几乎无关。在一定温度下，只要外加电压所产生的电场足以把这些少子都吸引过来，形成漂移电流，电压即使再增加，也不能使载流子的数目增多，电流的数值则趋于稳定，因而，常常将这一电流称为反向饱和电流。
也正因为如此，反向饱和电流虽然数值不大，但它受温度的影响很大，在实际应用中必须考虑这一点。
综上所述，可得出结论：PN结的正向电阻很小，可视为正向导通；反向电阻很大，可视为反向截止。这就是PN结的单向导电性。
1.2 半导体二极管
半导体二极管由一个PN结加上电极引线和管壳构成。P型区引出的电极称为阳极，N型区引出的电极称为阴极。半导体二极管在电子电路中应用颇多，本节对二极管作专门介绍。
1.2.1 基本结构、种类与符号
1. 结构与符号
二极管的结构主要可分为点接触型和面接触型两类。
点接触型二极管如图1-10(a)所示，它由一根很细的金属丝与半导体的表面相接触，经过特殊工艺在接触点上形成PN结。其特点是PN结的面积小，极间电容小，但不能承受高的反向电压和大电流。它的高频性能好，适用于高频检波和数字电路中的开关及小电流整流。例如，2AP1 点接触型二极管，其最大整流电流为 16mA，最高工作频率可达150MHz。
面接触型二极管如图1-10(b)所示。它的PN结采用合金法或扩散法制成。PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大，工作频率受到影响。面接触型二极管适用于低频和大功率整流。例如，2CP1为面接触型二极管，最大整流电流可达400mA，而最高工作频率只有3kHz。
半导体二极管的电路符号标志如图1-11所示。
第1章半导体二极管及其应用7
图1-10 二极管的不同结构图1-11 二极管符号
2. 分类
讨论二极管的分类可以从以下几个不同角度进行。
按照二极管的结构分，可分为点接触型和面接触型两大类。
按照二极管的材料，可分为硅二极管和锗二极管。
按照二极管的用途，则可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、光电二极管及变容二极管等。
1.2.2 伏安特性
半导体二极管的伏安特性指的是流过二极管的电流与二极管两端电压的关系曲线。这一关系曲线如图1-12所示，可分为三部分进行分析。
(1) 正向特性：对应于图1-12曲线的第①段，为二极管伏安特性的正向特性部分。
这时加在二极管两端的电压不大，从数值上看，只有零点几伏，但此时流过二极管的电流却较大，即此时二极管呈现的正向电阻较小。一般硅管正向导通压降约为0.6～0.7V, 锗管约为0.2～0.3V。
但是，在正向特性的起始部分，即开始加在二极管两端的外加电压较小时，外电场还不足以克服PN结的内电场，这时的正向电流几乎为零，二极管仍然呈现较大的电阻，好像有一个门槛。只有当外加电压超过某一电压后，正向电流才显著增加。这个一定数值的电压就称为门槛电压，或死区电压，记作U TH。硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。
(2) 反向特性：对应于图1-12曲线的第②段，是当二极管加反向电压时的情况。
当外加反向电压时，由于少数载流子的漂移，可以形成反向饱和电流，又由于少子的数目少，因此反向电流很小，用I S表示。另一方面，硅管的反向电流比锗管小得多。如果温度升高，少子数目增多，反向电流增大。
(3) 反向击穿特性：对应于特性曲线的第③段。
当作用在二极管的反向电压高达某一数值后，反向电流会剧增，而使二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿，所对应的电压称为击穿电压。二极管的反向击穿，亦即PN
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8 结的反向击穿，可分为热击穿与电击穿两种。
图1-12 二极管的伏安特性曲线
产生电击穿的原因是，在强电场的作用下，大大增加了少子的数目，从而引起反向电
流的剧增。电击穿又分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。
雪崩击穿的物理过程是：当反向电压增加时，空间电荷区电场随之增强，引起少子漂
移的加速运动，并造成电子与原子间的相互碰撞，这种碰撞又将中性电子的价电子碰撞出来，形成新的电子－空穴对，新产生的电子－空穴对又在结区加速并碰撞，再产生电子－空穴对，形成载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的雪山上发生了雪崩一样，载流子数量大增，反向电流随之剧增。
齐纳击穿与上述雪崩击穿完全不同。这是由于外加电场过强时，它将强制地把结区硅
原子结构中的外层价电子从共价键中拉出来，破坏了共价键结构，产生电子－空穴对，同样使载流子的数目急剧上升，反向电流增大。
上述两种电击穿的过程是可逆的，即当加在管子两端的反向电压降低后，管子仍可恢
复原来的状态，但是，如果电击穿中的电压过高，电流过大，消耗在PN 结上的功率超过它的耗散功率，电击穿就可能过渡到热击穿，并很快将PN 结烧毁，造成永久性损坏。
理想二极管的电流与端电压之间有如下关系
T D S (e 1)U U I I =- (1-1)
T U 为温度电压当量，在室温T =300K 时，T ≈U 26mV 。
1.2.3 主要参数
二极管的特性除了可用特性曲线来表示以外，还可以用它的参数来表征。电子器件的
参数是用来表征二极管性能优劣及适用范围的指标，也是设计电路、选择器件的主要依据，这里介绍几个二极管的主要参数。
1. 最大整流电流I F
指二极管在长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小
第1章半导体二极管及其应用9
于I F，电流过大时会出现热击穿，而使管子烧毁。一般情况下点接触型二极管的最大整流约几十毫安，面接触型二极管的最大整流电流可达几十安培以上。
2. 最高反向工作电压U RM
指二极管运行时允许承受的最高反向电压。为避免二极管的反向击穿，一般规定其最高反向电压为其反向击穿电压的 1/2或 2/3。一般点接触型二极管的最高反向工作电压为几十伏，面接触型二极管的最高反向电压可达数百伏。
3. 反向电流I R
指二极管在加上反向电压时的反向电流值。该值越大，说明管子的单向导电性越差，而且受温度的影响越大。硅管的反向电流较小，一般为零点几个微安，甚至更少；锗管反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。
4. 最高工作频率f M
此参数主要由PN 结的结电容决定，结电容越大，二极管允许的最高工作频率越低。使用时，如果信号频率超过该频率，二极管的单向导电性会变差。
需要指出的是，半导体器件的参数都是在一定条件下测得的，当条件改变时，参数亦会有所改变；此外，由于制造工艺的限制，即使同一型号的二极管，其参数的分散性也较大。各种二极管的参数可从半导体器件手册中查到。
1.2.4 使用注意事项
(1) 在电路中应按注明的极性进行连接。
(2) 应根据需要正确地选择型号。同一型号的整流二极管方可串联、并联使用。在串联或并联使用时，应视实际情况决定是否需要加入均衡(串联均压，并联均流)装置电阻。
(3) 引出线的焊接或弯曲处，离管壳距离不得小于10mm。为防止因焊接时过热而损坏，要使用小于60W的电烙铁，焊接时间不应超过2～3s，并在管壳与焊接点之间保证有良好的散热。
(4) 应避免靠近发热元件，并保证散热良好。工作在高频或脉冲电路的二极管引线要尽量短，不能用长引线弯成圈来达到散热目的。
(5) 对整流二极管，为保证其可靠工作，建议反向电压降低20%再使用。应防止瞬间或长时间过电压，使用中应结合实际情况加保护装置。
(6) 切勿超过手册中规定的最大允许电流和电压值。
(7) 二极管的替换。硅管与锗管不能互相代用。所替换的二极管其最高反向工作电压及最大整流电流不应小于被替换管。根据工作特点，还应考虑其他特性，如截止频率、结电容及开关速度等。
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1.3 二极管应用
1.3.1 整流
所谓整流，就是将交流电变为单方向脉动的直流电。整流电路是二极管的主要应用领域之一。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路，然后再经过滤波、稳压，便可获得平稳的直流稳压电源。这些内容将在第10章详细介绍。对于5A 以下的整流电路，可选用IN4000、2CZ系列的整流二极管。部分常用整流二极管主要参数见附录B表B-1和表B-2。
1.3.2 检波
就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小(100mA)作为界限，通常把输出电流小于 100mA 的叫检波。锗材料点接触型、工作频率可达400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好。实际中常用的检波二极管为 2AP 型。类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路，也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。
检波二极管的选择主要考虑工作频率是否满足电路的要求。一般在检波电路中选用2AP系列和进口的IN60、IN34、IS34等二极管。部分2AP系列的主要参数见附录B 表B-3，读者在选用时可参考该表。
1.3.3 钳位
利用二极管正向导通时压降很小的特性可组成钳位电路，如图1-13所示，若A点V A=0，二极管D可正向导通，其压降很小，故F点的电位也被钳制在0V左右，即V F≈0。
图1-13 二极管钳位电路
1.3.4 限幅
利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值内。
图1-14(a)为一种二极管限幅电路，为了分析方便设D为理想二极管，u i=U m sinωt，且U m＞E。在u i变化过程中，u i＜E时，理想二极管处于反向偏置而截止，电路中电流为零，U R=0，所以u o=u i。在t1～t2这段时间内，u i＞E，二极管处于正向偏置而导通，其正
第1章半导体二极管及其应用11
向压降为零，所以u o=E，即输入电压的幅度被限为E值，输入电压超出E的部分压降在电阻R上，u o的波形如图1-14(b)所示。这种限幅电路也被称为削波电路。
如果把图1-14(a)中二极管D和直流电源E反接，就可以限制输出电压负半周的幅度，其电路和输出的电压波形如图1-15所示。
图1-14 限制输出电压正半周幅度的限幅电路
若把1-14(a)和1-15(a)两个限幅电路组合起来就构成双向限幅电路，如图1-16所示。
图1-15 限制输出电压负半周幅度的限幅电路
图1-16 双向限幅电路
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1.3.5 元件保护
在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害，在如图1-17所示的电路中，L和R是线圈的电感和电阻。
图1-17 二极管保护电路
在开关S接通时，电源E给线圈供电，L中有电流通过，存储了磁场能量。在开关S 由接通到断开的瞬间，电流突然中断，L中将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势e L，e L与E叠加作用在开关S的端子上产生电火花放电，这将影响设备的正常工作，使开关S寿命缩短。接入二极管D之后，通过二极管D产生放电电流，使L中存储的能量不经过开关S放掉，从而保护了开关S。
1.4 特殊二极管
除了前面所介绍的一般二极管之外，还有一些具有专门用途的特殊二极管，本节将介绍其中的几种主要类型。
1.4.1 稳压二极管
1. 电路符号与伏安特性
稳压二极管是利用二极管反向击穿的特性制成的，专门作为稳定电压用的面接触型硅二极管。它的外形与内部结构也和普通二极管相似，对外具有两个电极。图1-18即为稳压管的符号。
稳压二极管的伏安特性如图1-19所示，它的伏安特性与普通二极管相似，略有差异的是它的反向特性。它的反向特性比普通二极管更加陡直，这正是它用来稳压的依据所在。
对普通二极管来说，它的反向电流随着反向电压的增加而增加，一旦达到击穿电压，二极管被击穿。若无限流电阻，管子将因电流过大而被烧毁。
由稳压管的伏安特性可见，当反向电压小于击穿电压时，反向电流很小；当反向电压增加到等于击穿电压U z后，反向电流急剧增加。由图1-19可见，反向电压只要略有增加，反向电流就有很大增加，这也是说，当反向电流在很大范围内变化时，反向电压变化不大。稳压管正是利用这一点来稳压的。图1-19中曲线的AB段是稳压管的反向击穿
第1章 半导体二极管及其应用 13
区，电压U z 称为稳定电压。
图1-18 稳压管符号
图1-19 稳压管伏安特性 如果稳压管只工作在电击穿情况下，结构不被破坏，则击穿是可逆的，当除去外加电
压后，其击穿即可恢复。但是，如果反向电流太大，超过了电流允许值，或者稳压管的功率损耗过大超过了允许值，稳压管便会造成不可逆热击穿而使稳压管损坏。因此，稳压管在使用中，必须在电路中串联一个限流电阻。
显然，稳压管应当工作在反向击穿区。一个典型的稳压管稳压电路如图1-20所示。
图1-20 稳压管稳压电路
在图1-20电路中，当电路输入端的电压发生变化，而引起负载两端的电压变化时，
它的稳压过程可如下所示
有关稳压管的稳压过程，在第10章直流电源中还将专门讨论。
这里，还有一点需要说明的是，通常稳定电压大于6V 的稳压管属于雪崩击穿，小于
5V 的稳压管为齐纳击穿，5～6V 范围内的稳压管，上述两种击穿同时存在。
2. 主要参数
(1) 稳定电压U Z
指稳压管的反向电流为规定的稳定电流时，稳压管两端的稳定电压值。但是，必须说
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14 明一点，由于工艺上的原因，以及稳压管的稳定电压受电流与温度变化的影响，即使同一型号的稳压管，其稳压值也具有一定的分散性。如，2CW1型稳压管的稳压范围就在
3.2～
4.5V 之间。
(2) 稳定电流I Z
稳压管正常工作时的工作电流，此值一般是指最小稳定电流，如果稳压管的工作电流
小于此值，稳压效果变差。
(3) 最大稳定电流I Zmax
指稳压管可以正常稳压的最大允许工作电流，如果电流超过此值，稳压管不再稳压。
(4) 动态电阻r Z
在稳压管的稳压范围内，稳压管两端的电压变化量与电流变化量之比。该阻值一般很
小，大约在十几欧至几十欧之间。
(5) 温度系数α
指稳压管受温度影响的变化系数，其数值，为温度每升高1℃时稳压值的相对变化
量，一般用百分数表示。它也是稳压管的质量指标之一，表示了温度变化对稳定电压的影响程度。
(6) 最大允许耗散功率P Z
使稳压管不致热击穿的最大功率损耗。
稳压二极管主要有2CW 系列、2DW 系列和IN46、IN47、IN52、IN59系列等，部分
稳压二极管主要参数见附录B 表B-4、表B-5。
【例1-1】在图1-21中，已知稳压二极管的Z 6.3V =U ，已知稳压二极管的正向导通
压降F =0.7V U 。当I =20V ±U ，=1k ΩR 时，求O U 。
图1-21 稳压电路
解 当I =+20V U ，DZ1V 反向击穿稳压Z =6.3V U ，DZ2V 正向导通，F2= 0.7V U ，则
O = +7V U ；同理，I =20V U -，O =7V U -。
1.4.2 发光二极管
发光二极管简称LED ，它是一种将电能转换为光能的半导体器件，发光二极管的制
造依据与光电二极管恰恰相反。电子－空穴对的产生是由于热激发施加了能量，而当电子－空穴对复合时，则可以光的形式放出能量。制造发光二极管的材料不再是硅与锗，通常采用元素周期表中的Ⅲ～Ⅴ族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等。这是因为在硅与锗中，当电子－空穴对复合时，其能量都被晶体的缺陷处所吸收，而不再发光。
砷化镓的光是在红外范围内，人眼不能看见，如果加入一些磷，得到磷砷化镓，即可
第1章半导体二极管及其应用15
发出红色可见光；磷化镓可发绿光。
发光二极管的符号如图1-22所示。发光二极管常用于作为显示器件，可单个使用，也可作成7段式或矩阵式，工作时加正向电压，并接入相应的限流电阻，工作电流一般为几毫安到几十毫安，正向导通时的管压降为1.8～2.2V。
+
图1-22 发光二极管符号
发光二极管除具有普通二极管的参数外，还具有光参数和极限参数。部分FG型发光二极管及BT型发光二极管的主要参数见附录B表B-6、表B-7，供选用时参考。
1.4.3 光敏二极管
光敏二极管又称为光电二极管，它是将光能转换为电能的半导体器件。前面，我们已经讲过，半导体材料的导电特性之一，是受到光照时，其导电性能增加。二极管的某个区(如N区)在被光照时，也有同样现象。光照时，某个区可以成对地大量产生电子与空穴，从而提高了少子的浓度。这些少子在反向偏置下，可以产生漂移电流，而使反向电流增加，这时外电路中的电流就可以随光照度的强弱而改变。根据这一原理制成了光电二极管，又称光敏二极管，其结构与普通二极管相似，只是在管壳上留有一个能使光线照入的窗口。其符号如图1-23所示。
特性曲线如图1-24所示。由其特性曲线可见，其反向电流与照度成正比。
国产的光电二极管中最常用的有2CU、2DU、HPD型。进口的有夏普SPD、SB、CBS型等。部分常用光敏二极管主要参数见附录B表B-9、表B-10、表B-11。
图1-23 光敏二极管符号
图1-24 光敏二极管的特性曲线
1.4.4 变容二极管
用于自动频率控制(AFC)和调谐用的小功率二极管称变容二极管。变容二极管符号如图1-25所示。通过施加反向电压，使其PN结的静电容量发生变化，因此，常用于自动
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模拟电子技术
频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。
图1-25 变容二极管符号
常用的2CC型变容二极管的主要参数见附录B表B-12。国外用的调谐变容二极管的型号主要有MA、ISV 型等。
1.4.5 隧道二极管
隧道二极管是因为用含有大量杂质的本征半导体制作PN结时，会产生极薄的耗尽层，若加正向偏压，则在达到扩散电位之前，由于隧道效应而发生电流流动。若接近扩散电位，则为通常的二极管特性，所以如图1-26所示，在正向电压低的范围，显示出负的电阻。
图 1-26 隧道二极管的电压电流特性
隧道二极管的优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些开关电路或高频振荡等电路中。
1.4.6 肖特基二极管
肖特基二极管(Schottky Barrier Diode)是利用金属与半导体接触形成金属-半导体结制作二极管。其金属材料采用金、钼、镍、钛等材料，其半导体材料采用硅或砷化镓，多为N型半导体。这种器件仅用一种载流子(电子)导电二极管中少数载流子的存贮效应甚微，所以其频率响应仅受RC时间常数限制，因而，它是高频和快速开关的理想器件，其工作
第1章半导体二极管及其应用17
频率可达100GHz。由于肖特基二极管金属-半导体结的耗尽层只在N型半导体一边，因此肖特基势垒高度低于PN结势垒高度，肖特基二极管的正向导通电压较低。
常用的肖特基二极管有DB0-004、MBR1545、MBR2535型等。
1.4.7 片式二极管
片式二极管的外型如图1-27所示，外壳一般为黑色，内部为PN结，根据外型可分为圆柱形片式二极管(见图1-27(a))和矩形片式二极管(见图1-27(b))，它们都没有引线，其两个端面就为正、负极。其中标有白色竖条的一端为负极，另一端则为正极。
图1-27 片式二极管的外形
矩形片式二极管内部结构有单管和对管区分，对管结构又分为共阳(正极相连)、共阴(负极相连)、串联等几种类型，内部结构如图1-28所示，这种类型的二极管一般有三条较短的引线，长度约为0.65mm。
图1-28 矩形片式二极管内部结构
1.4.8 快恢复二极管
1. 快恢复二极管的特点
快恢复二极管的结构与普通二极管不同，它不是一个单一的PN结，而是在P型与N 型硅材料中间增加了一个基区I，构成PIN硅层，这种结构的二极管，由于基区很薄、反
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模拟电子技术
向恢复电荷很少、故使该种二极管的反向恢复时间大为减少，其值一般为几百纳米以下。同时使它的正向压降较低，而使反向峰值电压得到提高，其值可达几千伏。
快恢复二极管(FRD)的优点是反向恢复时间短、开关特性好、体积小。广泛用于脉宽调制器、不间断电源、开关电源、变频调速器等电路中，作为高频大电流整流、续流二极管应用。
快恢复二极管的内部结构和外形如图1-29所示。其内部结构可分为单管和对管两种，在对管内部有两只快恢复二极管，由于这两只管子的接法不同，又可分为共阴对管和共阳对管。
图1-29 快恢复二极管的内部结构和外形
由于快恢复二极管的功率相差较大，其封装采用了不同的形状。20A以下的一般采用T0—200塑料封装或D0—41、T0—15、D0—27封装，20A以上的大容量的管子则采用T0—3P金属封装，对于几百安至几千安的管子，采用了螺栓形或平板形封装。
2. 快恢复二极管的检测
将万用表置于R×1k挡，测快恢复二极管的正、反电阻值，正向电阻值一般为几欧姆，反向电阻值为∞，如果测得的阻值为∞或0，则表明被测管损坏。
对管的检测方法与上述方法基本相同，但必须首先确定其共用端是哪个引脚，然后再用上述方法对各个二极管进行检测。
3. 快恢复二极管的选用与使用
快恢复二极管广泛应用于不间断电源、开关电源、交流电动机的变频调速器、脉宽调制器等电路中，作高频、高压、大电流整流、续流二极管用。具体选用时应根据具体电路的要求，选择合适参数的管子。
在选用时如果单管的参数不能满足要求而对管能满足要求时，则可把对管当作单管使用。在使用对管中如有一只管子损坏，则可作单管使用。
由于制作工艺的不同，有些单管也有三个引脚，中间的为空脚，通过测量便可确定其无用。
第1章半导体二极管及其应用19
1.5 习题
1.1 什么是本征半导体？什么是杂质半导体？各有什么特征？
1.2 N型导体是在本征半导体中掺入____价元素，其多数载流子是____，少数载流是_____。P型导体是在本征半导体中掺入____价元素，其多数载流子是____，少数载流子是_____。
1.3 在室温附近，温度升高，杂质半导体中_________的浓度明显增多。
1.4 什么叫载流子的扩散运动、漂移运动？它们的大小主要与什么有关？
1.5 在室温下，对于掺入相同数量杂质的P型半导体和N型半导体，其导电能力_____。
(a) 二者相同(b)N型导电能力强(c)P型导电能力强
1.6 PN结是如何形成的？在热平衡下，PN结有无净电流流过？
1.7 PN结中扩散电流的方向是_______，漂移电流的方向是_______。
1.8 PN结未加外部电压时，扩散电流____漂移电流；加正向电压时，扩散电流____漂移电流；加反向电压时，扩散电流____漂移电流，其耗尽层_______。
1.9 什么是PN结的击穿现象？击穿有哪两种？击穿是否意味着PN结坏了？为什么？
1.10 二极管的直流电阻R D 和交流电阻r d有何不同？如何在伏安特性上表示？
1.11 稳压二极管是利用二极管的______特性进行稳压的。
(a)正向导通(b)反向截止(c)反向击穿
1.12 二极管电路如图1-30 所示，一直输出电压u i=20sinωt(V)，二极管的正向压降和反向电流均可忽略。试画出输出电压u o的波形。
图1-30 习题1.12图
1.13 电路如图1-31所示，u i=5sinωt(V)，试画出输出电压u o 的波形。
图1-31 习题1.13图
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模拟电子技术
1.14 由理想二极管组成电路如图1-32所示，试确定各电路的输出电压u o。
图1-32 习题1.14图
(完整版)电子技术教案——半导体二极管(2)
课题 1.1 半导体二极管 课型 新课授课班级授课时数 2 教学目标 1．熟识二极管的外形和符号。 2．掌握二极管的单向导电性。 3．理解二极管的伏安特性、理解二极管的主要参数。 教学重点 二极管的单向导电性。 教学难点 二极管的反向特性。 学情分析 教学效果 教后记
新课 A．引入 自然界中的物质，按导电能力的不同，可分为导体和绝缘体。人们又发现还有一类物质，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，那就是 半导体。 B．新授课 1.1半导体二极管 1.1.1什么是半导体 1．半导体：导电能力随着掺入杂质、输入电压（电流）、温度和光照条件的不同而发生很大变化，人们把这一类物质称为半导体。 2．载流子：半导体中存在的两种携带电荷参与导电的“粒子”。 （1）自由电子：带负电荷。 （2）空穴：带正电荷。 特性：在外电场的作用下，两种载流子都可以做定向移动，形成电流。 3．N型半导体：主要靠电子导电的半导体。 即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 4．P型半导体：主要靠空穴导电的半导体。 即：空穴是多数载流子，电子是少数载流子。 1.1.2PN结 1．PN结：经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面就会出现一个特殊的接触面，称为PN结。 2．实验演示 （1）实验电路 （2）现象 所加电压的方向不同，电流表指针偏转幅度不同。 （3）结论 PN结加正向电压时导通，加反向电压时截止，这种特性称为PN结的单向导电性。 3．反向击穿：PN结两端外加的反向电压增加到一定值时，反向电流急剧增大，称为PN结的反向击穿。 4．热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使PN结烧坏，称为热击穿。 5．结电容（讲解） （引入实验电路，观察现象）
最新1半导体二极管及其应用汇总
1半导体二极管及其 应用
模拟电子技术 电子技术：研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。 第一代电子器件 电真空器件：电子管和离子管 电子管的结构和工作原理 A ：有密封的管壳，内部抽到高真空。 B ：在热阴极电子管中，有个阴极。 C：阴极由灯丝加热，使温度升高发射出电子 D：电子受外加电场和磁场的作用下在真空中运动形成电子管中的电流。 电子管的主要特点电子管 A 体积大重量重耗电大寿命短 B 目前在一些大功率发射装置中使用 离子管 A：与电子管类似，也抽成真空管。 B：管子中的电流，除了电子外也有正离子。 第二代电子器件----晶体管
晶体管是用半导体材料制成的，也称为半导体器件（semiconductor device）or 固体器件（solid-state device）。 晶体管的主要特点 A体积小、重量轻 B寿命长、功耗低 C 受温度变化影响大 D过载能力较差。 E 加电压不能过高 2. 电子电路 电子器件与电阻、电感、电容、变压器、开关等元件适当连接起来所组成的电路。 电子电路的主要特点 控制方便工作灵敏响应速度快。 电子电路与普通电路的主要区别 1 电子电路包含电子器件 2.电子器件的特性往往是非线性的 3．电子电路必须采用非线性电路的分析方法分析
电子电路：分立电路集成电路 分立电路-----由各种单个的电子器件和元件构成的电路 主要特点 1 把许多元件和器件焊接在印刷电路板上 2焊点多，容易造成虚焊。 3体积大功耗大可靠性低 集成电路----（IC-integrated circuit）-----把许多晶体管与电阻等元件制作在同一块硅片上的电路 集成电路的主要特点 1 体积小重量轻 2 功耗小 3 可靠性高 4 寿命长 世界上第一块集成电路在1959年美国的德州仪器公司和西屋电气公司诞生，电路上仅集成了四只晶体管。
第四章 半导体二极管和晶体管
第四章半导体二极管和晶体管 教学目标 本章课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。 1.掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。 2.具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。 教学内容 1、半导体基础知识 2、PN结特性 3、晶体管 教学重点与难点 1、PN结的单向导电性、伏安特性 2、二极管的伏安特性及主要参数 3、三极管放大、饱和、截止三种模式的工作条件和性能特点 一、电子技术的发展 电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。
电子管→半导体管→集成电路 半导体元器件的发展： 1947年贝尔实验室制成第一只晶体管 1958年集成电路 1969年大规模集成电路 1975年超大规模集成电路 第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。 二、模拟信号与模拟电路 1、电子电路中信号的分类： 数字信号：离散性。 模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。 2、模拟电路 模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。 最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。模拟电路多以放大电路为基础。 3、数字电路 数字电路主要研究数字信号的存储、变换等内容，其主要包括门电路、组合数字电路、触发器、时序数字电路等。 数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。但其发展比模拟电路发展的更快。
《电子技术基础》二极管的基础知识
课题：晶体二极管 教学目标： 知识目标：1、掌握晶体二极管的构成、符号 2、掌握晶体二极管的导电特性 3、分析使用二极管时的主要参数及伏安特性 能力目标：1、培养学生分析、探究问题的能力 2、培养学生灵活运用知识的能力 3、培养学生的动手和实践能力 情感目标：使学生在学习过程中，获得知识的同时进一步激发学生学习的动机和兴趣 教学重点：晶体二极管的构成、符号、导电特性及伏安特性的分析 教学难点：1、伏安特性分析。 2、几个参数的记忆及区分。 教学方法：启发、引导、观察、讨论、讲解、实验结合 课时安排： 2课时 （教学用具：多媒体课件，实验用器材） 教学过程： 新课导入：提出学习目标，复习提问导入新课 1、什么是半导体？常见的的半导体材料有哪几种？ 2、半导体根据内部载流子的不同分为哪几种？ 新课讲授： 一、二极管的结构和符号 （一）结构 在本征半导体上利用特殊工艺分别渗入硼元素和磷元素加工出P型半导体和N型半导体，在P型和N型半导体的结合部位形成一个特殊的结构，即PN结，PN结是构成各种半导体器件的基础。 在P区和N区两侧各接上电极引线，并将其封装在密封的壳体中，即构成半导体二极管，如图。接在P区的引线称为阳极（正极）用a表示，接在N区的引线称为阴极或负极，用k表示。 二极管的核心即是一个PN结。 （二）符号 电子技术中的元件在电路图中都是用符号来表示的，如电阻用什么符号表示？ 二极管的符号如下图： 图中三角箭头代表二极管正向导电时电流的方向。
（三）分类 1、二极管根据所用半导体材料不同分为锗管和硅管。 2、根据内部结构不同可分为点接触型和面接触型。点接触型主要用于高频小电流场合如：检波、混频、小电流整流。面接触型主要用于低频大电流场合如：大电流整流。 知识拓展 认识常见的几种二极管：小功率二极管、大功率二极管、贴片二极管、发光二极管等。 要求：学生课后利用网络查找更多形式的二极管。 二、二极管的导电特性 通过实验来探究学习二极管的导电特性，在做实验之前首先了解一下实验所用的元件 （一）认识元件 认识实验中使用的元件：电池、电阻、开关、二极管、指示灯。 （二）实验一 实验电路如下图：讲解电路构成。 请实验小组说明指示灯情况，说明了什么？ 结论：指示灯亮，说明二极管导通，称为导通状态。 二极管导通时，其阳极电位高于阴极电位，此时的外加电压称为正向电压，二极管处于正向偏置状态，简称“正偏”。 （三）实验二 实验电路如下图：讲解电路构成。 请实验小组说明指示灯情况，说明了什么？ 结论：灯泡不亮，说明二极管不导通，称为截止状态
第1章__半导体二极管及其应用习题解答
第1章半导体二极管及其基本电路 自测题 判断下列说法是否正确，用“√”和“?”表示判断结果填入空内 1. 半导体中的空穴是带正电的离子。（?） 2. 温度升高后，本征半导体内自由电子和空穴数目都增多，且增量相等。（√） 3. 因为P型半导体的多子是空穴，所以它带正电。（?） 4. 在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（√） 5. PN结的单向导电性只有在外加电压时才能体现出来。（√） 选择填空 1. N型半导体中多数载流子是 A ；P型半导体中多数载流子是B。 A．自由电子 B．空穴 2. N型半导体C；P型半导体C。 A．带正电 B．带负电 C．呈电中性 3. 在掺杂半导体中，多子的浓度主要取决于B，而少子的浓度则受 A 的影响很大。 A．温度 B．掺杂浓度 C．掺杂工艺 D．晶体缺陷 4. PN结中扩散电流方向是A；漂移电流方向是B。 A．从P区到N区 B．从N区到P区 5. 当PN结未加外部电压时，扩散电流C飘移电流。 A．大于 B．小于 C．等于 6. 当PN结外加正向电压时，扩散电流A漂移电流，耗尽层E；当PN结外加反向电压时，扩散电流B漂移电流，耗尽层D。 A．大于 B．小于 C．等于 D．变宽 E．变窄 F．不变 7. 二极管的正向电阻B，反向电阻A。 A．大 B．小 8. 当温度升高时，二极管的正向电压B，反向电流A。 A．增大 B．减小 C．基本不变 9. 稳压管的稳压区是其工作在C状态。 A．正向导通 B．反向截止 C．反向击穿有A、B、C三个二极管，测得它们的反向电流分别是2?A、0.5?A、5?A；在外加相同的正向电压时，电流分别为10mA、 30mA、15mA。比较而言，哪个管子的性能最好【解】：二极管在外加相同的正向电压下电流越大，其正向电阻越小；反向电流越小，其单向导电性越好。所以B管的性能最好。 题习题1 试求图所示各电路的输出电压值U O，设二极管的性能理想。
半导体二极管及其应用
第1章半导体二极管及其应用 本章要点 ●半导体基础知识 ●PN结单向导电性 ●半导体二极管结构、符号、伏安特性及应用 ●特殊二极管 本章难点 ●半导体二极管伏安特性 ●半导体二极管应用 半导体器件是近代电子学的重要组成部分。只有掌握了半导体器件的结构、性能、工作原理和特点，才能正确地选择和合理使用半导体器件。半导体器件具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性强等优点，在各个领域中得到了广泛的应用。半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件，而PN结又是组成二极管和三极管及各种电子器件的基础。本章首先介绍有关半导体的基础知识，然后将重点介绍二极管的结构、工作原理、特性曲线、主要参数以及应用电路等，为后面各章的学习打下基础。 1.1 PN结 1.1.1 半导体基础知识 1. 半导体特性 自然界中的各种物质，按其导电能力划分为：导体、绝缘体、半导体。导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。导体如金、银、铜、铝等；绝缘体如橡胶、塑料、云母、陶瓷等；典型的半导体材料则有硅、锗、硒及某些金属氧化物、硫化物等，其中，用来制造半导体器件最多的材料是硅和锗。 半导体之所以用来制造半导体器件，并不在于其导电能力介于导体与绝缘体之间，而在于其独特的导电性能，主要表现在以下几个方面。 (1) 热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。 (2) 光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。 (3) 掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。这里所说的“杂质”，是指某些特定的纯净的其他元素。在纯净半导体中，只要掺入极微量的杂质，导电能力就急剧增加。一个典型的数据是：如在纯净硅中，掺入百万分之
3 半导体二极管的识别检测与选用(二)
[复习提问] 1、半导体二极管的结构、符号及分类？ 2、半导体二极管的重要特性是什么？ [导入新课]二极管是电路中的关键器件，种类繁多，应用十分广泛，识别常用半导体二极管，掌握检测质量及选用方法是学习电子技术必须掌握的一项基本技 能，下面我们来学习相关知识。 [讲授新课] 1.1半导体二极管的识别、检测与应用（二） 九、二极管的型号命名 1、国产二极管 国产二极管的型号命名分为五个部分，各部分的含义见下表。 第一部分用数字“2”表示主称为二极管。 第二部分用字母表示二极管的材料与极性。 第三部分用字母表示二极管的类别。 第四部分用数字表示序号。
例如： 2、日本半导体器件的型号命名(JIS-C-7012工业标准)由五部分组成,各部分含义见下表。 第一部分用数字表示器件的类型或有效电极数。 第二部分用字母S表示该器件已在日本电子工业协会（JEIA）注册登记。 第三部分用字母表示器件的类别。 第四部分用数字表示登记序号。 第五部分用字母表示产品的改进序号。 日本半导体器件型号命名及含义
例如： 2SA733（PNP型高频晶体管）2SC4706（NPN型高频晶体管）2——三极管2——三极管 S——JEIA注册产品S——JEIA注册产品A——PNP型高频管C——NPN型高频管733——JEIA登记序号4706——JEIA登记序号 3、美国半导体器件型号命名由四部分组成。各部分的含义见下表。 第一部分用数字表示器件的类别。 第二部分用字母“N”表示该器件已在EIA注册登记。 第三部分用数字表示该器件的注册登记号。 第四部分用字母表示器件的规格号。 美国半导体器件型号命名及含义 例如： lN 4007 2N 2907 A l——二极管2——晶体管 N——ElA注册标志N——ElA注册标志 4007——ElA登记号2907——ElA登记号 A——规格号 1、整流二极管 整流二极管主要用于整流电路，即把交流电变换 成脉动的直流电。整流二极管都是面结型，因此结 电容较大，使其工作频率较低。一般为3kHZ以下。 从封装上看，有塑料封装和金属封装两大类。常用 的整流二极管有2CZ型、2DZ型、IN400 X型及用于 高压、高频电路的 2DGL型等。
半导体二极管及其应用习题解答
第1章半导体二极管及其基本电路 教学内容与要求 本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。教学内容与教学要求如表所示。要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及PN结的形成过程。主要掌握半导体二极管在电路中的应用。 表第1章教学内容与要求 内容提要 1.2.1半导体的基础知识 1．本征半导体 高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。 本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差， 2．杂质半导体 (1)N型半导体本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N型半导体，N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。N型半导体呈电中性。 (2) P型半导体本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P型半导体。P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。P型半导体呈电中性。 在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。 1.2.2 PN结及其特性
1．PN 结的形成 在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N 型半导体，另一边形成P 型半导体，在P 型区和N 型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN 结。PN 结是构成其它半导体器件的基础。 2．PN 结的单向导电性 PN 结具有单向导电性。外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN 结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN 结几乎截止。 3. PN 结的伏安特性 PN 结的伏安特性： )1(T S -=U U e I I 式中，U 的参考方向为P 区正，N 区负，I 的参考方向为从P 区指向N 区；I S 在数值上等于反向饱和电流；U T =KT /q ，为温度电压当量，在常温下，U T ≈26mV 。 (1) 正向特性 0>U 的部分称为正向特性，如满足U ??U T ，则T S U U e I I ≈，PN 结的正向电流I 随正向电压U 按指数规律变化。 (2) 反向特性 0>，则S I I -≈，反向电流与反向电 压的大小基本无关。 (3) 击穿特性 当加到PN 结上的反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加，这种现象称为PN 结反向击穿，击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。 4. PN 结的电容效应 PN 结的结电容C J 由势垒电容C B 和扩散电容C D 组成。C B 和C D 都很小，只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。当PN 结正向偏置时，扩散电容C D 起主要作用，当PN 结反向偏置时，势垒电容C B 起主要作用。 1.2.3 半导体二极管 1. 半导体二极管的结构和类型 半导体二极管是由PN 结加上电极引线和管壳组成。 二极管种类很多，按材料来分，有硅管和锗管两种；按结构形式来分，有点接触型、面接触型和硅平面型几种。 2. 半导体二极管的伏安特性 半导体二极管的伏安特性是指二极管两端的电压u D 和流过二极管的电流i D 之间的关系。它的伏安特性与PN 结的伏安特性基本相同，但又有一定的差别。在近似分析时，可采用PN 结的伏安特性来描述二极管的伏安特性。 3. 温度对二极管伏安特性的影响 温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，温度每升高1o C ，PN 结的正向压降约减小（2~）mV 。 二极管的反向特性曲线随温度的升高将向下移动。当温度每升高10 o C 左右时，反向饱和电流将加倍。 4. 半导体二极管的主要参数 二极管的主要参数有：最大整流电流I F ；最高反向工作电压U R ；反向电流I R ；最高工作频率f M 等。由于制造工艺所限，即使同一型号的管子，参数也存在一定的分散性，因此手册上往往给出的是参数的上限值、下限值或范围。 5. 半导体二极管的模型 常用的二极管模型有以下几种：
半导体二极管及其应用习题解答
半导体二极管及其应用 习题解答 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
第1章半导体二极管及其基本电路 教学内容与要求 本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。教学内容与教学要求如表所示。要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及PN结的形成过程。主要掌握半导体二极管在电路中的应用。 表第1章教学内容与要求 内容提要 1.2.1半导体的基础知识 1．本征半导体 高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。 本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差， 2．杂质半导体
(1) N 型半导体 本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N 型半导体，N 型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。N 型半导体呈电中性。 (2) P 型半导体 本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P 型半导体。P 型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。P 型半导体呈电中性。 在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。 1.2.2 PN 结及其特性 1．PN 结的形成 在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N 型半导体，另一边形成P 型半导体，在P 型区和N 型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN 结。PN 结是构成其它半导体器件的基础。 2．PN 结的单向导电性 PN 结具有单向导电性。外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN 结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN 结几乎截止。 3. PN 结的伏安特性 PN 结的伏安特性： )1(T S -=U U e I I 式中，U 的参考方向为P 区正，N 区负，I 的参考方向为从P 区指向N 区；I S 在数值上等于反向饱和电流；U T =KT /q ，为温度电压当量，在常温下，U T ≈26mV 。
电子技术教案课程
第1.2 课时 教学内容：1、半导体的基本知识 2、PN结的形成及特点，半导体二极管的结构、特性、参数、应用电路 教学目标： 知识目标：让学生了解半导体材料的基本结构及PN结的形成，掌握PN结的单向导电工作原理 技能目标：能运用常用公式解题。 情感目标：1. 养成良好的学习习惯 2. 教学重点： 树立坚强乐学的意识 从半导体材料的基本结构及PN结的形成入手，重点介绍PN结的单向导电工作原理、 教学难点：PN结的单向导电工作原理 教学准备：教学PPT。 教学过程： 引述导入：今天我们来学习交流电路。 板书课题：半导体的基本知识 新授内容： 1 半导体的基本知识 1.1 半导体材料 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。导电性能介于导体与绝缘体之间材料，我们称之为半导体。在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化傢（GaAS等；以及掺杂或制成其它化合物半导体材料，如硼（B）、磷（卩）、锢（In ）和锑（Sb）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。
半导体有以下特点： 1 ．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 2 ．半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显着变化。 3．在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。 1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显着变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N型半导体一一掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半导体一一掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，在P型半导体中空穴是多数载流子? 2PN 结的形成及特性 2.1PN结的形成： 在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。 2.2PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。
半导体二极管及其应用
第 1 章半导体二极管及其应用本章要点 半导体基础知识 PN 结单向导电性 半导体二极管结构、符号、伏安特性及应用 特殊二极管 本章难点 半导体二极管伏安特性 半导体二极管应用 半导体器件是近代电子学的重要组成部分。只有掌握了半导体器件的结构、性能、工作原理和特点，才能正确地选择和合理使用半导体器件。半导体器件具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性强等优点，在各个领域中得到了广泛的应用。半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件，而PN 结又是组成二极管和三极管及各种电子器件的基础。本章首先介绍有关半导体的基础知识，然后将重点介绍二极管的结构、工作原理、特性曲线、主要参数以及应用电路等，为后面各章的学习打下基础。 1.1 PN 结 1.1.1 半导体基础知识 1. 半导体特性自然界中的各种物质，按其导电能力划分为：导体、绝缘体、半导体。导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。导体如金、银、铜、铝等；绝缘体如橡胶、塑料、云母、陶瓷等；典型的半导体材料则有硅、锗、硒及某些金属氧化物、硫化物等，其中，用来制造半导体器件最多的材料是硅和锗。 半导体之所以用来制造半导体器件，并不在于其导电能力介于导体与绝缘体之间，而在于其独特的导电性能，主要表现在以下几个方面。 (1) 热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。 (2) 光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。 (3) 掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。这里所说的“杂质”，是指某些特定的纯净的其他元素。在纯净半导体中，只要掺入极微量的杂质，导电能力就急剧增加。一个典型的数据是：如在纯净硅中，掺入百万分之 一的硼，其导电能力增加约50万倍。 2. 本征半导体
半导体二极管和三极管分析
第7章半导体二极管和三极管 7.1 半导体的基本知识 7.2 PN结 7.3 半导体二极管 7.4 稳压二极管 7.5 半导体三极管
第7章半导体二极管和三极管 本章要求： 一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用； 二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。
对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。 学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。 器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。
7.1 半导体的基本知识 半导体的导电特性： (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 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、三极管和晶闸管等）。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强
7.1.1 本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子，称为价电子。 Si Si Si Si 价电子
Si Si Si Si 价电子 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。 本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。 空穴温度愈高，晶体中产 生的自由电子便愈多。 自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。
电子技术试题及答案
《电子技术基础》题库 适用班级：2012级电钳3、4、5、6班 备注：本学期进行到第七章；第一、二、三章是重点内容，要求掌握；第四、八章没有涉及。一、填空题： 第一章半导体二极管 ○1、根据导电能力来衡量，自然界的物质可以分为导体，半导体和绝缘体三类。 Δ2、导电性能介于导体和绝缘体之间物质是半导体。 ○3、半导体具有热敏特性、光敏特性、参杂的特性。 Δ4、PN结正偏时，P区接电源的正极，N极接电源的负极。 ○5、PN结具有单向导电特性。 ○6、二极管的P区引出端叫正极或阳极，N区的引出端叫负极或阴极。 Δ7、按二极管所用的材料不同，可分为硅二极管和锗二极管两类； ○8、按二极管用途不同，可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管。 ★9、二极管的正向接法是二极管正极接电源的正极，负极接电源的负极；反响接法相反。 ○10、硅二极管导通时的正向管压降约0.7V ，锗二极管导通时的管压降约0.3V。 Δ11、使用二极管时，应考虑的主要参数是最大整流电流，最高反向电压和反向电流。★12、发光二极管将电信号转换为光信号。 ★13、变容二极管在高频收音机的自动频率控制电路中，通过改变其反向偏置电压来自动调节本机震荡频率。
★14、所谓理想二极管，就是当其正偏时，结电阻为零。 第二章半导体三极管及其放大电路 ○15、三极管是电流控制元件。 ○16、三极管具有放大作用外部电压条件是发射结正偏，集电结反偏。 ★17、当温度升高时，晶体三极管集电极电流Ic变大，发射结压降变小。 Δ18、三极管处在放大区时，其集电结电压小于零，发射结电压大于零。★19、三极管的发射区杂质浓度很高，而基区很薄。 Δ20、三极管实现放大作用的内部条件是：发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小. Δ21、工作在放大区的某三极管，如果当I B从12μA增大到22μA时，I C从1mA变为2mA，那么它的β约为100 。 ○22、三极管的三个工作区域分别是饱和区、放大区和截止区。 ★23、发射结﹍正向﹍偏置，集电结正向偏置，则三极管处于饱和状态。 ★24、为了消除乙类互补功率放大器输出波形的（交越）失真，而采用（甲乙类）类互补功率放大器。 ★25、OCL电路是（双）电源互补功率放大电路； ★26、OTL电路是（单）电源互补功率放大电路。 ★27、共集电极电路电压放大倍数（1），输入电阻（大），输出电阻（小），常用在输入级，输出级或缓冲级。 第三章集成运算放大器及其应用 ○28、差分放大电路输入端加上大小相等、极性相同的两个信号，称为共模信号。.Δ29、差分放大电路能够抑制零点漂移。
半导体二极管及其基本电路
第二章半导体二极管及其基本电路 本章内容简介 半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。本章在简要地介绍半导体的基本知识后，主要讨论了半导体器件的核心环节——PN 结。在此基础上，还将介绍半导体二极管的结构、工作原理,特性曲线、主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用。最后对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予简要的介绍。（一）主要内容: ?半导体的基本知识 ?PN结的形成及特点，半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电路 （二）基本要求: ?了解半导体材料的基本结构及PN结的形成 ?掌握PN结的单向导电工作原理 ?了解二极管（包括稳压管）的V-I特性及主要性能指标 （三）教学要点： ?从半导体材料的基本结构及PN结的形成入手，重点介绍PN结的单向导电工作原理、 ?二极管的V-I特性及主要性能指标
2.1 半导体的基本知识 2.1.1 半导体材料 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。导电性能介于导体与绝缘体之间材料，我们称之为半导体。在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；以及掺杂或制成其它化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。 半导体有以下特点： 1．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 2．半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。 3．在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。 2.1.2 半导体的共价键结构 在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的简化原子模型如下所示。硅和锗都是四价元素，在其最外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。由于原子呈中性，故在图中原子核用带圆圈的+4符号表示。半导体与金属和许多绝缘体一样，均具有晶体结构，它们的原子形成有排列，邻近原子之间由共价键联结，其晶体结构示意图如下所示。图中表示的是晶体的二维结构，实际上半导体晶体结构是三维的。 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构
北京交通大学模拟电子技术习题及解答第二章 半导体二极管及其基本电路
第二章半导体二极管及其基本电路 2-1．填空 （1）N型半导体是在本征半导体中掺入；P型半导体是在本征半导体中掺入。 （2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流会。 （3）PN结的结电容包括和。 （4）晶体管的三个工作区分别是、和。在放大电路中，晶体管通常工作在区。 （5）结型场效应管工作在恒流区时，其栅-源间所加电压应该。（正偏、反偏） 答案：（1）五价元素；三价元素；（2）增大；（3）势垒电容和扩散电容；（4）放大区、截止区和饱和区；放大区；（5）反偏。 2-2．判断下列说法正确与否。 （1）本征半导体温度升高后，两种载流子浓度仍然相等。（） （2）P型半导体带正电，N型半导体带负电。（） （3）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证R GS大的特点。（） （4）只要在稳压管两端加反向电压就能起稳压作用。（） （5）晶体管工作在饱和状态时发射极没有电流流过。（） （6）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（）（7）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（） （8）若耗尽型N沟道MOS场效应管的U GS大于零，则其输入电阻会明显减小。（）答案：（1）对；温度升高后，载流子浓度会增加，但是对于本征半导体来讲，电子和空穴的数量始终是相等的。 （2）错；对于P型半导体或N型半导体在没有形成PN结时，处于电中性的状态。 （3）对；结型场效应管在栅源之间没有绝缘层，所以外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证R GS大的特点。 （4）错；稳压管要进入稳压工作状态两端加反向电压必须达到稳压值。 （5）错；晶体管工作在饱和状态和放大状态时发射极有电流流过，只有在截止状态时没有电流流过。 （6）对；N型半导体中掺入足够量的三价元素，不但可复合原先掺入的五价元素，而且可使空穴成为多数载流子，从而形成P型半导体。 （7）对；PN结在无光照、无外加电压时，处于动态平衡状态，扩散电流和漂移电流相等。 （8）错。绝缘栅场效应管因为栅源间和栅漏之间有SiO2绝缘层而使栅源间电阻非常大。因此耗尽型N沟道MOS场效应管的U G S大于零，有绝缘层故而不影响输入电阻。 2-3．为什么说在使用二极管时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压？ 答：当正向电流超过最大整流电流会使二极管结温过高，性能变坏，甚至会烧毁二极
最新半导体二极管及其基本电路
半导体二极管及其基 本电路
二、半导体二极管及其基本电路 基本要求 ?正确理解：PN结的形成及单向导电性 ?熟练掌握：普通二极管、稳压二极管的外特性及主要参数 ?能够查阅电子器件相关手册 难点重点 1．ＰＮ结的形成 （1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，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。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结。 图（1）浓度差使载流子发生扩散运动
（2）在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。 （3）Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。 图（2）内电场形成 （4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。 （5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡。 2．ＰＮ结的单向导电性
第1章 半导体二极管及其应用习题解答
第1章半导体二极管及其基本电路 1.1 教学内容与要求 本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。教学内容与教学要求如表1.1所示。要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及PN结的形成过程。主要掌握半导体二极管在电路中的应用。 表1.1 第1章教学内容与要求 1.2 内容提要 1.2.1半导体的基础知识 1．本征半导体 高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。 本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差， 2．杂质半导体 (1) N型半导体本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N型半导体，N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。N型半导体呈电中性。 (2) P型半导体本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P型半导体。P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。P型半导体呈电中性。 在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。 1.2.2 PN结及其特性 1．PN结的形成 在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半
导体，在P 型区和N 型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN 结。PN 结是构成其它半导体器件的基础。 2．PN 结的单向导电性 PN 结具有单向导电性。外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN 结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN 结几乎截止。 3. PN 结的伏安特性 PN 结的伏安特性： )1(T S -=U U e I I 式中，U 的参考方向为P 区正，N 区负，I 的参考方向为从P 区指向N 区；I S 在数值上等于反向饱和电流；U T =KT /q ，为温度电压当量，在常温下，U T ≈26mV 。 (1) 正向特性 0>U 的部分称为正向特性，如满足U >>U T ，则T S U U e I I ≈，PN 结的 正向电流I 随正向电压U 按指数规律变化。 (2) 反向特性 0>，则S I I -≈，反向电流与反向电压的大小基本无关。 (3) 击穿特性 当加到PN 结上的反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加，这种现象称为PN 结反向击穿，击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。 4. PN 结的电容效应 PN 结的结电容C J 由势垒电容C B 和扩散电容C D 组成。C B 和C D 都很小，只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。当PN 结正向偏置时，扩散电容C D 起主要作用，当PN 结反向偏置时，势垒电容C B 起主要作用。 1.2.3 半导体二极管 1. 半导体二极管的结构和类型 半导体二极管是由PN 结加上电极引线和管壳组成。 二极管种类很多，按材料来分，有硅管和锗管两种；按结构形式来分，有点接触型、面接触型和硅平面型几种。 2. 半导体二极管的伏安特性 半导体二极管的伏安特性是指二极管两端的电压u D 和流过二极管的电流i D 之间的关系。它的伏安特性与PN 结的伏安特性基本相同，但又有一定的差别。在近似分析时，可采用PN 结的伏安特性来描述二极管的伏安特性。 3. 温度对二极管伏安特性的影响 温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，温度每升高1o C ，PN 结的正向压降约减小（2~2.5）mV 。 二极管的反向特性曲线随温度的升高将向下移动。当温度每升高10 o C 左右时，反向饱和电流将加倍。 4. 半导体二极管的主要参数 二极管的主要参数有：最大整流电流I F ；最高反向工作电压U R ；反向电流I R ；最高工作频率f M 等。由于制造工艺所限，即使同一型号的管子，参数也存在一定的分散性，因此手册上往往给出的是参数的上限值、下限值或范围。 5. 半导体二极管的模型 常用的二极管模型有以下几种：
半导体及二极管2010年
第2篇电子学 第10章半导体及二极管 大纲要求：掌握二极管和稳压管特性、参数 了解载流子，扩散，漂移；PN结的形成及单向导电性 10.1 半导体的基本知识 10.1.1 本征半导体 本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，就同时在原来的共价键的相应位置上留下一个空位，这个空位称为空穴，空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以称它们为电子空穴对。 10.1.2 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改变。根据掺入杂质的化合价不同，杂质半导体分为N型和P型两大类。 （1）N型半导体在4价元素的硅（或锗）晶体中，掺入微量的5价元素磷（或砷、锑等）后，磷原子将散布于硅原子中，且替代了晶体点阵中某些位置上的硅原子。 通常，掺杂所产生的自由电子浓度远大于本征激发所产生的自由电子或空穴的浓度，所以杂质半导体的导电性能远超过本征半导体。显然，这种半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，所以称电子为多数载流子（majority carrier，简称多子），空穴为少数载流子（minority carrier，简称少子）。因为这种半导体的导电主要依靠电子，所以称为Ｎ型半导体或电子型半导体。 （2）P型半导体在硅（或锗）的晶体中掺入微量的3价元素硼（或铝、铟等）后，杂质原子也散布于硅原子中，且替代了晶体点阵中某些位置上的硅原子。 在这种半导体中，空穴是多子，自由电子是少子，它的导电主要依靠空穴，因此称为P型半导体或空穴型半导体。 10.1.3 半导体中的两种电流 （1）漂移电流：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动所形成的电流。 （2）扩散电流：同一种载流子从浓度高处向浓度地处扩散所形成的电流称为扩散电流。 10.1.4 PN结 （1）PN结的形成P区和N区交界面处形成的区域称为P N结。形成原因主要有以下三个：①载流子的浓度差引起多子的扩散；②复合使交界面形成空间电荷区 (耗尽层)③扩散和漂移达到动态平衡
第一章 半导体二极管 三极管和场效应管
第4章半导体二极管及其应用 电子电路区别于以前所学电路的主要特点是电路中引入各种电子器件。电子器件的类型 很多，目前使用得最广泛的是半导体器件——二极管、稳压管、晶体管、绝缘栅场效应管等。 由于本课程的任务不是研究这些器件内部的物理过程，而是讨论它们的应用，因此，在简单 介绍这些器件的外部特性的基础上，讨论它们的应用电路。 4.1 PN结和半导体二极管 4.1.1 PN结的单向导电性 我们在物理课中已经知道，在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。这是由于形成了有传导电流能力的载流子。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或Ｐ型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。 在一块半导体基片上通过适当的半导体工艺技术可以形成Ｐ型半导体和Ｎ型半导体的交接面，称为PN 结。PN结具有单向导电性：当PN结加正向电压时，Ｐ端电位高于N端，PN结变窄,由多子形成的电流可以由Ｐ区向Ｎ区流通，见图4-1 (a),而当PN结加反向电压时，Ｎ端电位高于Ｐ端，PN结变宽,由少子形成的电流极小，视为截止(不导通)，见图4-1 (b)。 4.1.２半导体二极管 半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由Ｐ区引出的电极称为阳极，Ｎ区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。二极管的种类很多，按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种。