第1章半導(dǎo)體二極管及其

應(yīng)用電路

1.1PN結(jié)1.2半導(dǎo)體二極管1.3整流濾波電路1.4特殊二極管1.1PN結(jié)

1.1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

圖1.1表示的是由二極管、

燈泡、

限流電阻、

開關(guān)及電源等組成的簡(jiǎn)單電路。

電路演示如下:

按圖1.1(a)所示,閉合開關(guān)S,燈泡發(fā)光,說明電路導(dǎo)通。若二極管管腳調(diào)換位置,如圖1.1(b)所示,閉合開關(guān)S,燈泡不發(fā)光,

由以上演示結(jié)果可知:二極管具有單向?qū)щ娦浴D1.1半導(dǎo)體二極管導(dǎo)電性能的實(shí)驗(yàn)

1．半導(dǎo)體的特性自然界中的各種物質(zhì),按導(dǎo)電能力劃分為:導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。它具有熱敏性、光敏性和摻雜性。利用光敏性可制成光電二極管和光電三極管及光敏電阻;利用熱敏性可制成各種熱敏電阻;利用摻雜性可制成各種不同性能、不同用途的半導(dǎo)體器件,例如二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等。

2．半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

在電子器件中,用得最多的材料是硅和鍺,硅和鍺都是四價(jià)元素,最外層原子軌道上具有4個(gè)電子,稱為價(jià)電子。每個(gè)原子的4個(gè)價(jià)電子不僅受自身原子核的束縛,而且還與周圍相鄰的4個(gè)原子發(fā)生聯(lián)系,這些價(jià)電子一方面圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng),另一方面也時(shí)常出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上。這樣,相鄰的原子就被共有的價(jià)電子聯(lián)系在一起,稱為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。如圖1.2所示。

圖1.2硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

當(dāng)溫度升高或受光照時(shí),由于半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子并不像絕緣體中束縛得那樣緊,價(jià)電子從外界獲得一定的能量,少數(shù)價(jià)電子會(huì)掙脫共價(jià)鍵的束縛,成為自由電子,同時(shí)在原來共價(jià)鍵的相應(yīng)位置上留下一個(gè)空位,這個(gè)空位稱為空穴,如圖1.3所示。

圖1.3本征激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)示意圖自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的,所以稱它們?yōu)殡娮涌昭▽?duì)。在本征半導(dǎo)體中,電子與空穴的數(shù)量總是相等的。我們把在熱或光的作用下,本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子空穴對(duì)的現(xiàn)象,稱為本征激發(fā),又稱為熱激發(fā)。由于共價(jià)鍵中出現(xiàn)了空位,在外電場(chǎng)或其他能源的作用下,鄰近的價(jià)電子就可填補(bǔ)到這個(gè)空穴上,而在這個(gè)價(jià)電子原來的位置上又留下新的空位,以后其他價(jià)電子又可轉(zhuǎn)移到這個(gè)新的空位上,如圖1.4所示。為了區(qū)別于自由電子的運(yùn)動(dòng),我們把這種價(jià)電子的填補(bǔ)運(yùn)動(dòng)稱為空穴運(yùn)動(dòng),認(rèn)為空穴是一種帶正電荷的載流子,它所帶電荷和電子相等,符號(hào)相反。由此可見,本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子:電子和空穴。而金屬導(dǎo)體中只有一種載流子——電子。本征半導(dǎo)體在外電場(chǎng)作用下,兩種載流子的運(yùn)動(dòng)方向相反而形成的電流方向相同,如圖1.5所示。

圖1.4電子與空穴的移動(dòng)

圖1.5兩種載流子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

3．雜質(zhì)半導(dǎo)體

1)N型半導(dǎo)體在純凈的半導(dǎo)體硅（或鍺）中摻入微量五價(jià)元素（如磷）后,就可成為N型半導(dǎo)體,如圖1.6(a)所示。在這種半導(dǎo)體中,自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù),導(dǎo)電以電子為主,故此類半導(dǎo)體亦稱電子型半導(dǎo)體。

2)P型半導(dǎo)體在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入少量三價(jià)元素雜質(zhì),如硼（或銦）等。硼原子只有3個(gè)價(jià)電子,它與周圍硅原子組成共價(jià)鍵時(shí),因缺少一個(gè)電子,在晶體中便產(chǎn)生一個(gè)

空穴。這個(gè)空穴與本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴都是載流子,具有導(dǎo)電性能。P型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)如圖1.6(b)所示。圖1.6摻雜質(zhì)后的半導(dǎo)體(a)N型半導(dǎo)體；(b)P型半導(dǎo)體在P型半導(dǎo)體中,空穴數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù),空穴為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱“多子”),自由電子為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱“少子”)。導(dǎo)電以空穴為主,故此類半導(dǎo)體又稱為空穴型半導(dǎo)體。

1.1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦?/p>

1.PN結(jié)的形成

在一塊完整的晶片上,通過一定的摻雜工藝,一邊形成P型半導(dǎo)體,另一邊形成N型半導(dǎo)體。在交界面兩側(cè)形成一個(gè)帶異性電荷的離子層,稱為空間電荷區(qū),并產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng),其方向是從N區(qū)指向P區(qū),內(nèi)電場(chǎng)的建立阻礙了多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),隨著內(nèi)電場(chǎng)的加強(qiáng),多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐步減弱,直至停止,使交界面形成一個(gè)穩(wěn)定的特殊的薄層,即PN結(jié)。因?yàn)樵诳臻g電荷區(qū)內(nèi)多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)方并復(fù)合掉了,或者說消耗盡了,因此空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。

2.PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

在PN結(jié)兩端外加電壓,稱為給PN結(jié)以偏置電壓。

1)PN結(jié)正向偏置給PN結(jié)加正向偏置電壓,即P區(qū)接電源正極,N區(qū)接電源負(fù)極,此時(shí)稱PN結(jié)為正向偏置(簡(jiǎn)稱正偏),如圖1.7所示。由于外加電源產(chǎn)生的外電場(chǎng)的方向與PN結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)方向相反,削弱了內(nèi)電場(chǎng),使PN結(jié)變薄,有利于兩區(qū)多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散,形成正向電流,此時(shí)PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。

圖1.7PN結(jié)加正向電壓

2)PN結(jié)反向偏置給PN結(jié)加反向偏置電壓,即N區(qū)接電源正極,P區(qū)接電源負(fù)極,稱PN結(jié)反向偏置(簡(jiǎn)稱反偏),如圖1.8所示。

圖1.8PN結(jié)加反向電壓

由于外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致,因而加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng),使PN結(jié)加寬,阻礙了多子的擴(kuò)