汽车电子电工基础半导体二极管及基本电路
2章半导体二极管及基本电路 半导体的基本知识 PN结的形成及特性 半导体二极管 特殊二极管 二极管基本电路分析 半导体的基本知识 本征半导体 空穴及其导电作用 杂质半导体 根据物体导电能力 电阻率 的不同 划分为导体 绝缘体和半导体 半导体的电阻率为10 3 109 cm 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 半导体的特点 1 导电能力不同于导体 绝缘体 2 受外界光和热刺激时电导率发生很大变化 光敏元件 热敏元件 3 掺进微量杂质 导电能力显著增加 半导体 半导体的基本知识 半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素 在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子 它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键 原子按一定规律整齐排列 形成晶体点阵后 结构图为 返回 本征半导体 空穴及其导电作用 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 载流子 可以自由移动的带电粒子 电导率 与材料单位体积中所含载流子数有关 载流子浓度越高 电导率越高 返回 电子空穴对 当T 0K和无外界激发时 导体中没有栽流子 不导电 当温度升高或受到光的照射时 价电子能量增高 有的价电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 本证激发 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 这个空位为空穴 自由电子 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的 称为电子空穴对 本征激发 动画1 1 空穴 返回 杂质半导体 N型半导体 电子型半导体 在本征半导体中掺入五价的元素 磷 砷 锑 多余电子 成为自由电子 自由电子 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著变化 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 返回 P型半导体 空穴型半导体 在本征半导体中掺入三价的元素 硼 空穴 空穴 返回 N型半导体的多数载流子为电子 少数载流子是空穴 P型半导体的多数载流子为空穴 少数载流子是电子 例 纯净硅晶体中硅原子数为1022 cm3数量级 在室稳下 载流子浓度为ni pi 1010数量级 掺入百万分之一的杂质 1 10 6 即杂质浓度为1022 1 106 1016数量级 则掺杂后载流子浓度为1016 1010 约为1016数量级 比掺杂前载流子增加106 即一百万倍 返回 PN结的形成及特性 PN结的形成及特性 PN结的单向导电性 PN结的形成 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 动画 五价的元素 三价的元素 产生多余电子 产生多余空穴 PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压 外加的正向电压 方向与PN结内电场方向相反 削弱了内电场 于是 内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性 P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 动画 外加反向电压 方向与PN结内电场方向相同 加强了内电场 内电场对多子扩散运动的阻碍增强 扩散电流大大减小 此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 PN结呈现高阻性 P区的电位低于N区的电位 称为加反向电压 简称反偏 在一定的温度条件下 由本征激发决定的少子浓度是一定的 故少子形成的漂移电流是恒定的 基本上与所加反向电压的大小无关 这个电流也称为反向饱和电流 动画 2 PN结加反向电压 总之 PN结正向电阻小 反向电阻大 单向导电性 返回 半导体二极管 半导体二极管 二极管 一个PN结就是一个二极管 单向导电 二极管正极接电源正极 负极接电源负极时电流可以通过 反之电流不能通过 符号 二极管按结构分有点接触型 面接触型二大类 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于大电流整流电路 半导体二极管的结构 半导体二极管的伏安特性曲线 式中IS为反向饱和电流 VD为二极管两端的电压降 VT kT q称为温度的电压当量 k为玻耳兹曼常数 q为电子电荷量 T为热力学温度 对于室温 相当T 300K 则有VT 26mV 第一象限的是正向伏安特性曲线 第三象限的是反向伏安特性曲线 1 正向特性 硅二极管的死区电压Vth 0 5 0 8V左右 锗二极管的死区电压Vth 0 2 0 3V左右 当0 V Vth时 正向电流为零 Vth称死区电压或开启电压 正向区分为两段 当V Vth时 开始出现正向电流 并按指数规律增长 反向区也分两个区域 当VBR V 0时 反向电流很小 且基本不随反向电压的变化而变化 此时的反向电流也称反向饱和电流IS 当V VBR时 反向电流急剧增加 VBR称为反向击穿电压 2 反向特性 硅二极管的反向击穿特性比较硬 比较陡 反向饱和电流也很小 锗二极管的反向击穿特性比较软 过渡比较圆滑 反向饱和电流较大 若 VBR 7V时 主要是雪崩击穿 若 VBR 4V时 则主要是齐纳击穿 3 反向击穿特性 半导体二极管的参数 1 最大整流电流IF 2 反向击穿电压VBR 3 反向电流IR 4 正向压降VF 在室温 规定的反向电压下 最大反向工作电压下的反向电流值 硅二极管的反向电流一般在纳安 nA 级 锗二极管在微安 A 级 在规定的正向电流下 二极管的正向电压降 硅二极管约0 6 0 8V 锗二极管约0 2 0 3V 二极管连续工作时 允许流过的最大整流电流的平均值 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR 为安全计 在实际工作时 最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算 导通 例4 正半周 D1 D3导通D2 D4截止 负半周D2 D4导通D1 D3截止 求整流电路的输出波形 解 特殊二极管 特殊二极管 稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管 稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样 稳压二极管在工作时应反接 并串入一只电阻 电阻起限流作用 保护稳压管 其次是当输入电压或负载电流变化时 通过该电阻上电压降的变化 取出误差信号以调节稳压管的工作电流 从而起到稳压作用 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 rZ愈小 反映稳压管的击穿特性愈陡 3 最大耗散功率PZM 最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件 反向工作时PN结的功率损耗为PZ VZIZ 由PZM和VZ可以决定IZmax 4 最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin 最大稳定工作电流取决于最大耗散功率 即PZmax VZIZmax 而Izmin对应VZmin 若IZ IZmin则不能稳压 1 稳定电压VZ 例12 稳压管的稳压过程 RL Io IR Vo IZ IR Vo 二极管在汽车上的运用 续流整流电路稳压电路发光二极管七段数码管光电二极管光耦
