从导电性能上看，通常可将物质为三大类：导体： 电阻率 ，缘体：电阻率 ， 半导体：电阻率ρ介于前两者之间

从导电性能上看，通常可将物质为三大类：导体： 电阻率 ，缘体：电阻率 ， 半导体：电阻率ρ介于前两者之间 第一章 半导体二极管 内容简介 本章首先介绍半导体的导电性能和特点，进而从原子结构给与解释。先讨论PN结的形成和PN结的特性，然后介绍半导体二极管特性曲线和主要参数。分析这些管子组成的几种简单的应用电路，最后列出常用二极管参数及技能训练项目。 技能教学目标 1.了解半导体基础知识，掌握PN结的单向导电特性; 2.熟悉二极管的基本结构、伏安特性和主要参数; 3.掌握二极管电路的分析方法; 4.了解特殊二极管及其应用。 技能教学目标 1.能够识别和检测二极管，会测定二极管简单应用电路参数。 本章重点 1.要求掌握器件外特性，以便能正确使用和合理选择这些器件。如:半导体二极管:伏安特性，主要参数，单向导电性。 2.二极管电路的分析与应用。 本章难点 1.半导体二极管的伏安特性，主要参数，单向导电性。 2.二极管电路分析方法。 1.1 半导体的基础知识 从导电性能上看，通常可将物质为三大类:导体: 电阻率 ，缘体:电阻率 ， 半导体:电阻率ρ介于前两者之间。目前制造半导体器件材料用得最多的有:单一元素的半导体——硅(Si)和锗(Ge);化合物半导体 —— 砷化镓(GaAs)。 图1.1.1 半导体示例 1.1.1 本征半导体 纯净的半导体称为本征半导体。用于制造半导体器件的纯硅和锗都是四价元素，其最外层原子轨道上有四个电子(称为价电子)。在单晶结构中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有，形成图1.1.2所示的共价健结构，图中+4代表四价元素原子核和内层电子所具有的净电荷。共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流;同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。 因此，半导体中有自由电子和空穴两种载流参与导电，分别形成电子电流和空穴电流，这一点与金属导体的导电机理不同。 1.1.2 杂质半导体 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。 一、 N型半导体 若在四价的硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素(如磷、锑、砷等)，则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，在该半导体中就存在大量的自由电子载流子，空穴是少数载流子，这种半导体就是N型半导体 图1.1.3 N型半导体结构 二、 P型半导体 若在四价的硅或锗的晶体中少量的三价元素，如硼，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。这个空穴可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,因而在该半导体中就存在大量的空穴载流子,当然,其中还有少数由于本征激发而产生的自由电子，如图1.1.4所示。 需要指出的是,无论是N型还是P型半导体,都是呈电中性的。 综上所述: 1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。 2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由 电子和空穴对，故其有一定的导电能力。 3、本征半导体的导电能力主要由温度决定;杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。 4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。 5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。 1.1.3 PN结 一、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，在它们的交界面处就形成了PN 结。 PN结是多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动相较量,最终达到动态平衡的必然结果，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。 二、PN结的单向导电性 1、PN结的偏置 PN结加上正向电压(正向偏置)的意思都是:P区加正、N区加负电压。 PN结加上反向电压(反向偏置)的意思都是: P区加负、N区加正电压。 2、PN结正偏 如上图1.1.6所示,当PN结正偏时，外加电源形成的电场加强了载流子的扩散运动，削弱了内电场，耗尽层变薄，因而多子的扩散运动形成了较大的扩散电流。用图表述如下:PN结正偏外电场削弱内电场 耗尽层变薄 扩散运动漂移运动多子扩散运动形成正向电流 。 3、PN结的反偏 在PN结加反向偏置时,如图1.1.7所示，外加电源形成的外电场加强了内电场，多子的扩散运动受到阻碍，耗尽层变厚;少子的漂移运动加强，形成较小的漂移电流。其过程表述如下: PN结反偏 外电场加强内电场 耗尽层变厚扩散运动 漂移运动 少子漂移运动形成反向电流 。 综上所述: 1)PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通; 2)PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 1.2 二极管的特性及主要参数 1.2.1 半导体二极管的结构和符号 形成PN结的P型半导体和N型半导体上，分别引出两根金属引线，并用管壳封装，就制成二极管。其中从P区引出的线为正极，从N区引出的线为负极。二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图1.2.1所示。在图1.2.1(b)所示电路符号中，箭头指向为正向导通电流方向，二极管常见的封装形式如图1.2.2所示。 1.2.2 二极管的伏—安特性 半导体二极管的核心是PN结，它的特性就是PN结的单向导电特性。常利用伏一安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。所谓伏安特性，是指二极管两端电压和流过二极管电流的关系，可用电路图来测量。若以电压为横坐标，电流为纵坐标，用作图法把电压、电流的对应值用平滑曲线连接起来，就构成二极管的伏—安特性曲线，如图1.2.3所示(图中虚线为锗管的伏—安特性，实线为硅管的伏—安特性)，下面以二极管的伏—安特性曲线加以说明。 一、正向特性 当二极管两端加正向电压时，就产生正向电流，正向电压较小时，正向电流极小(几乎为零)，这一部分称为死区，相应的A(A′)点的电压命名为死区电压。 二极管正向导通时，要特别注意它的正向电流不能超过最大值，否则将烧坏PN结。 二、反向特性 当二极管两端加上反向电压时，在开始很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向电流很小，且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流，如图1.2.3中0C(或O′C′)段所示。 三、反向击穿特性 二极管反向电压加到定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。此时的电压称为反向击穿电压用表示，如图1.2.3中CD(或C′D′)段所示。 1.2.3 半导体二极管的主要参数和分类 基本参数: 1(最大整流电流 最大整流电流是指二极管长期工作时，允许通过的最大平均电流使用正向平均电流能超过此值，否则二极管会击穿。 2(最大反向工作电压 最大反向工作电压是指二极管正常工作时，所承受的最高反向电压(峰值)。通常手册上给出的最大反向工作电压是击穿电压的一半左右。 3(二极管的直流电阻 二极管的直流电阻指加在二极管两端的直流电压与流过二极管的直流电流的比值。二极管的正向电阻较小，约为几欧到几千欧;反向电阻很大，一般可达零点几兆欧以上。 4(最高工作频率 最高工作频率是指二极管正常工作时上、下限频率，它的大小与PN结的结电容有超过此值，二极管单向导电特性变差。 1.3 二极管电路的分析方法 1.3.1 理想二极管 实际应用中，希望二极管具有正向偏置时导通，电压降为零:反向偏置时截止，电流为零;反响击穿电压为无穷大的理想特性，此时二极管导通时，我们可用短线来代替它，它截止时，我们可认为它断路。 1.3.2 二极管构成的限幅电路 当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化;当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。 例:试分析图1.3.1(1)所示的限幅电路,输入电压的波形为图1.3.1(2),画出它的限幅电路的波形。 解: (1) E=0时限幅电平为0v。ui>0时二极管导通，uo=0，ui<0时，二极管截止，uo=ui，它的波形图为:如图1.3.2(3)所示 (2) 当ui>E时,二极管导通,uo=E,它的波形图为:如图1.3.2(4)所示 1.3.3 二极管门电路 二极管组成的门电路，可实现逻辑运算。如图1.3.4(6)所示的电路，只要有一条电路输入为低电平时，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平。实现逻辑"与"运算。 1.4 特殊二极管 二极管种类很多，除前面讨论的普通二极管外常用的还有稳压二极管、发光二极管、光电二极管等，现简要介绍如下: 1.4特殊二极管 1.4.1 稳压二极管 稳压电路利用稳压二极管在反向击穿特性来实现稳压。下面简要介绍稳压二极管基本知识。 一、稳压二极管的工作特性 稳压二极管简称稳压管，它的伏一安特性曲线和在电路中的符号如图1.4.1所示。稳压管和普通二极管正向特性相同，不同的是反向击穿电压较低，且击穿特性陡峭，这说明反向电流在较大范围内变化时，击穿电压基本不变，稳压管正是利用反向击穿特性来实现稳压的，此时击穿电压称为稳定工作电压，用 U表Z示。 二、稳压管的主要参数 1.稳定电压U Z 稳定电压U 即反向击穿电压。由于击穿电压与制造工艺、环境温度和工作Z 电流有关，手册中只能给出某一型号的稳压范围。 2.稳定电流I Z 稳定电流I 是指稳压管工作至稳定状态时流过的电流。当稳压管稳定电流Z 小于最小稳定电流 时，没有稳定作用;大于最大稳定电流 时，管子因过流而损坏。稳压管由于受热而击穿。 1.4.2 发光二极管与光电二极管 一、发光二极管 发光二极管是一种把电能变成光能的器件，由磷化镓、砷化镓等半导体材料制成，电路符号见图1.4.3,当给发光二极管加上偏压，有一定的电流流过时二极管就会发光，这是由于PN结的电子和空穴直接复合放出能量的结果。发光二极管的种类按发光的颜色可分为:红色、蓝色、黄色、绿色和无色，管脚引线较长者为正极，较短者为负极。发光二极管工作时导通电压比普通二极管大，其工作电压随材料不同而不同，一般为1.7v,2.4v，普通绿、红、黄二极管工作电压约为2v，白色发光二极管电压通常高于2.4v;蓝色发光二极管工作电压一般高于3.3v。发光二极管的工作电流一般为2mA,25mA。 发光二极管广泛应用于各种电子仪器仪表、计算机、电视机的电源指示和信号指示，还可以做成七段译码显示器等。 二、光电二极管 光电二极管又叫光敏二极管，外形如图1.4.5。光电二极管也是由一个PN 结构成，但是它的PN面积较大，通过管壳上的一个玻璃来接收入射光。它是利用PN在施加反向电压时，在光线照射下反向电阻由大变小来工作的，其工作电路如1.4.4。光电二极管可用于光测量、光电控制等方面，如遥控接收器、光纤通讯、激光头中都用到光电二极管。 1.5 二极管的检测与应用 1、二极管的识别 二极管正负极、规格、功能和制造材料一般可以通过管壳上的标志和查阅手册(本章内容后附有实用资料)来判断，如IN4001通过壳上的标志可判断正负极，查阅手册可知它是整流管，参数是1A/50V;2CW15查阅手册可知它是N型硅材料稳压管。如果管壳上无符号或标志不清，就需要用万用表来检测。 2、二极管的检测 二极管的检测主要是判断其正负极和质量好坏。 基本方法: 首先将万用表量程调至 R×100Ω 或 R×1KΩ档(一般不用 R×1Ω档，因其电流较大，而 R×10K档电压过高管子易击穿)，然后，将两表笔分别接触二极管两个电极，测得一个电阻值，交换一次电极再测一次，从而得到两个电阻值。一般来说正向电阻小于5KΩ,反向电阻大于500KΩ，如图1.5.1所示。性能好的二极管，一般反向电阻比正向电阻大几百倍。如两次测得的正、反向电阻很小或等于零，则说明管子内部已击穿或短路;如果正、反向电阻均很大或接近无穷大，说明管子内部已开路;如果电阻值相差不大，说明管子性能变差，在上述三种情况的二极管均不能使用。