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第二节半导体二极管P型或N型半导体的导电能力虽然大大加强，但并不能直接用来制造半导体器件。通常是在一块晶片上采取一定的掺杂工艺措施，在两边分别形成P型和N型半导体，它们的交界面就形成了PN结，而这PN结正是构成各种半导体器件的基础。1.2.1PN结一块晶片，两边分别形成P型和N型半导体，由于交界面两边载流子浓度不均匀分布（P区空穴浓度大，N区自由电子浓度大）形成扩散运动：一、PN结的形成耗尽层空间电荷区内电场P区N区--------------------++++++++++++++++++++N区自由电子向P区扩散，留下带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。P区空穴向N区扩散，留下带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区；交界面附近的这个空间电荷区就是PN结。由于其中为不能移动的正负离子，载流子很少，所以也称为耗尽区或耗尽层。正负空间电荷在交界面两边形成一个内部电场，方向由N区指P区，阻止多数载流子的扩散运动，同时它却推动少数载流子越过空间电荷区进入对方。少数载流子在内电场作用下的定向移动称为漂移运动。可见内电场阻止扩散，有利漂移。随着扩散的进行，内电场逐渐增强，在一定条件下，扩散和漂移达到动态平衡，扩散电流和漂移电流数值相等，方向相反，互相抵消。所以在无外加电场和其它激发作用时，PN结中无电流。二、PN结的单向导电性：外电源正极接P区，负极接N区——称正向接法。外加电场与内部电场方向相反，外电场驱使：①P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷②N区的自由电子进入空间电荷抵消一部分正空间电荷1.加正向电压耗尽层内电场外电场PN----++++VR+-外加正向电压——空间电荷量减少，耗尽层变窄，内电场被削弱，扩散电流增强，而漂移电流可忽略。所以，正向接法使PN结转化为导通状态，导通电阻很小。在一定范围内外电场愈强，正向电流（包括空穴电流和电子电流，由P区——N区）愈大。外电场与内电场方向一致，空间电荷量增加，耗尽层变宽，内电场增强，扩散难以进行，扩散电流大大减小，漂移电流增强，PN结中主要为漂移电流——反向电流（由N区——P区）。由于少数载流子数量很少，反向电流很小，PN结基本不导电。2.加反向电压外电源正极接N区,负极接P区——称反向接法所以反向接法时，PN结转化为截止状态。由于温度不变时，少数载流子浓度不变，因而反向电流在一定的温度下不随外加电压而改变，故称为反向饱和电流IS。温度愈高，少数载流子的数目愈多，所以温度对反向电流影响很大。加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于导通状态；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截止状态。所以PN结具有单向导电性。由以上分析可知：三、PN结的电容效应1、结电容CB——耗尽层引起的，又称势垒电容加反向电压：耗尽层变宽，电荷量增加——结电容充电加正向电压：耗尽层变窄，电荷量减少——结电容放电耗尽层中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应，称为势垒电容CB。CB不是常量，与半导体材料的介电常数及外加电压有关，一般为几PF~一、二百PF。加反压时，CB小，但此时结电阻大，作用明显加正压时，CB大，但此时结电阻小，作用不明显多子在扩散过程中越过PN结成为另一方的少子，这种少子的积累也会形成电容效应PN结中，距离交界面越远，少子的浓度越低；扩散电流和少子浓度梯度成正比。3、PN结的结电容Cj：Cj=CB+CD正偏时，以CD为主；反偏时，以CB为主。高频时要考虑Cj的影响2、扩散电容CD——在扩散时少子积累引起的外加电压变化时引起扩散区内积累的电荷量的变化就形成了电容效应，称为扩散电容CD。CD与正向电流成正比，反向时可忽略。1.2.2二极管的结构及伏安特性曲线1、按结构分PN结面积小，结电容小，用于高频和小功率工作，或开关管点接触型：面接触型：PN结面积大，允许正向电流大，用于低频大功率整流。将PN结加上相应的电极引线和管壳就成为半导体二极管。一、结构、分类及符号2、按材料分硅二极管锗二极管二、伏安特性曲线：I=f（U）V（V）VBI（mA）3020100.51.020102二极管伏安特性曲线如图所示，二极管的伏安特性分为三部分。1）正向特性部分：正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对扩散的阻力，电流很小。但当电压超过一定值UUO，内电场被削弱，电流大增。这个电压UO称为死区电压。2）反向特性部分：加反向电压时，少子的漂移运动形成很小的反向电流（Ge：µA级；Si：nA级）反向电流特点①随温度上升而增加很快②在一定范围内不随反向电压变化——反向饱和电流IISV（V）VBI（mA）3020100.51.020102二极管伏安特性曲线3、反向击穿部分：，当U＞UBR时①强电场破坏共价键，把价电子拉出，少子增加；若不限流将因过热而产生永久性损坏——热击穿。②强电场使载流子碰撞晶格而把价电子拉出，产生新的电子一空穴对，载流子数目剧增产生电击穿,又称雪崩击穿产生击穿时，加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压UBRrjrsCj三、二极管的交流等效电路1.2.3二极管的主要参数二、最大反向工作电压UR：UR=UBR/2（UBR：反向击穿电压）四、结电容Cj（零偏压下Cj=CD+CB5P）最高工作频率（由CD及CB决定）反向恢复时间tre一、最大平均整流电流IF(IOM)：是管子长期运行允许通过的最大正向平均电流，由PN结面积及散热条件决定。三、反向峰值电流IRM：二极管加最高反向工作电压时的反向电流，受温度影响较大1.2..4应用举例：二极管应用范围很广,主要都是利用它的单向导电性,可用作整流、检波、元件保护及用作开关元件。例1:如图1,输入端A的电位UA=+3V,B的电位UB=0V,求输出端F的电位UF。解：UA＞UB，DA优先导通UF=UA－UDA=3-0.7=2.3VDA导通后，DB反偏而截止。这里：DA起钳位作用，把F的电位钳位在2.3V；DB起隔离作用，把输入端B和输出端F隔离开来ABRF-9V图1DADB例2：如图2所示，试分析：不论A、B的极性如何，负载的极性总是C为正极，D为负极。分析：若A为正极，B为负极，则D1、D3导通，D2、D4截止，C为正极，D为负极。若B为正极，A为负极，则D4、D2导通，D3、D1截止，C为正极，D为负极。D1CABD2D3D4负载D图2-+-+1.2.5稳压二极管稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管，它在电路中与适当阻值的电阻配合后，能起稳定电压的作用。一、稳压原理：其伏安特性与普通二极管类似，但其反向特性曲线比较陡。从反向特性看，反向击穿时，电流在很大范围内变化，而其两端的电压变化很小，利用这一特性即可用来稳压。可见稳压管工作于反向击穿区，但其与普通二极管不一样，其反向击穿是可逆的，当去掉反向电压后，稳压管又恢复正常。但要注意：要限制反向电流的大小，否则会因热击穿而损坏二析管（所以稳压管在使用时都要串接一个适当的电阻）。二、符号三、主要参数稳压管在正常工作下管子两端的电压（有一定分散性：有一个范围如UZ=5V，约4.7V~5.3V）稳压管工作时的参数电流数值。1、稳定电压UZ：2、稳定电流IZ：稳压管两端电压的变化量与电流变化量的比值。（反向特性愈陡，工作电流愈大，rz愈小，稳压性能愈好）3、动态电阻rz=UZ/IZ说明稳压值受温度影响的系数。（一般：6V左右的稳压管，温度稳定性较好；低于6V，负温度系数；高于6V，正温度系数）4、最大耗散功率（额定功耗）PZM：管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZmax5、电压温度系数CTU：V（V）VBI（mA）3020100.51.020102二极管伏安特性曲线