半导体二极管及其电路分析

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1、模拟电子技术第1章半导体二极管及其电路分析范立南恩莉代红艳李雪飞中国水利水电出版社第1章半导体二极管及其电路分析1.1本征半导体1.2杂质半导体1.3PN结1.4半导体二极管1.5稳压管导体的导电能力最强，金、银、铜等金属均为导体；绝缘体的导电能力最弱，塑料、橡胶等均为绝缘体；半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，常用的半导体材料为硅(Si)、锗(Ge)，化合物半导体为砷化镓（GaAs）。半导体具有光敏、热敏和掺杂特性：即半导体在受到光照、加热或掺入微量杂质时，其导电性能会大大提高。1.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。现以硅原子为例：每个硅原子

2、最外层的4个价电子分别和周围4个硅原子的价电子形成共用电子对，构成共价键结构，如图1-1所示。图1-1本征半导体的共价键结构本征半导体中有两种载流子：自由电子载流子和空穴载流子。本征半导体中的共价键具有很强的结合力，常温时仅有极少数价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子；同时在共价键相应位置处留下一个空位，称为空穴。如图1-2所示。图1-2本征半导体的两种载流子本征激发：半导体由于热激发产生自由电子空穴对的现象。本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，二者数量相等。本征半导体中的电流等于自由电子电流和空穴电流之和。复合：自由电子在运动过程中

3、，如果与空穴相遇，就会填补空穴，使自由电子和空穴成对消失。在一定温度下，自由电子、空穴的产生与复合会达到动态平衡。1.2杂质半导体杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质元素，其导电性能会得到改善。按照掺入元素的不同可分为：N型半导体和P型半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等P型半导体：在本征半导体中掺入+3价元素，如硼（B）等1.2.1N型半导体在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等所得到的杂质半导体为N型半导体，如图1-3所示。图1-3N型半导体N型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。空穴载流子是本征激发产生的。自由电子载流子除

4、了本征激发产生以外，还有一部分是由杂质提供的，N型半导体的多子：自由电子N型半导体的少子：空穴1.2.2P型半导体在本征半导体中掺入+3价元素，如磷（B）等所得到的杂质半导体为P型半导体，如图1-4所示。图1-4P型半导体P型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子载流子是本征激发产生的。空穴载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂质提供的，P型半导体的多子：空穴P型半导体的少子：自由电子1.3PN结1.3.1PN结的形成利用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一个半导体硅片上，在P型半导体和N型半导体的交界面就形成了PN结。PN结的形成过程

5、如图1-5：(a)多子扩散运动(b)动态平衡时的PN结图1-5PN结的形成1.3.2PN结的单向导电性PN结的单向导电性是指当PN结外加正向电压时导通，有较大的正向电流流过；当PN结外加反向电压时截止，仅有较小的反向电流流过。所谓PN结外加正向电压是指PN结的P区接电源的正极，N区接电源的负极，通常称作PN结正向偏置，如图1-6所示。图1-6PN结外加正向电压的情况1.3.3PN结的伏安特性所谓PN结外加反向电压是指PN结的N区接电源的正极，P区接电源的负极，通常称作PN结反向偏置，如图1-7所示。图1-7PN结外加反向电压的情况PN结两端所加电压与流过该PN结的电

6、流之间的关系为：PN结的伏安特性曲线如图1-8所示。图1-8PN结的伏安特性曲线PN结的伏安特性曲线分为3部分：（1）正向特性。（2）反向截止特性。（3）反向击穿特性。当PN结两端外加的反向电压增加至一定值后，流过PN结的反向电流急剧增加，此现象称为PN结的反向击穿。PN结的反向击穿按照其击穿机理的不同，可分为雪崩击穿和齐纳击穿两种。1.3.4PN结的电容效应PN结的电容效应根据产生机理不同可分为：势垒电容和扩散电容。PN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和。1.4半导体二极管半导体二极管是由PN结的P区和N区分别引出两根电极引线，并加上管壳封装而成，简称为二极管。二

7、极管的外形、结构、符号如图1-9所示。图1-9二极管的外形、结构及符号按构成二极管的材料划分：硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按照结构划分：点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管。按照用途划分：整流二极管、稳压二极管、发光二极管等。按照功率划分：大功率二极管、中功率二极管和小功率二极管。1.4.1二极管的伏安特性及主要参数1．二极管的伏安特性图1-10二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线分为3部分：（1）正向特性。（2）反向截止特性。（3）反向击穿特性。随着环境温度的增加，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移。温度升高时，二极管的反向电流