半导体二极管及直流稳压电源-优快云博客

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本文详细介绍了半导体基础知识，包括本征半导体、杂质半导体和PN结的形成及特性。接着讨论了半导体二极管的基本结构、伏安特性和主要参数，以及在直流稳压电源中的应用，包括整流滤波电路、稳压管稳压电路和三端集成稳压器。文章深入浅出，适合电子工程初学者阅读。

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半导体基础知识
- 本征半导体和杂质半导体
- PN结的形成及特性
半导体二极管
晶体二极管电路的分析方法
- 晶体二极管模型
- 晶体二极管电路的分析方法
晶体二极管的应用及直流稳压电源

半导体基础知识

常用半导体材料：
硅(Si)，锗(Ge)，磷(P)，硼(B)
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本征半导体和杂质半导体

本征半导体：

纯净且晶格完整的半导体称为本征半导体。例如高纯度单晶硅和锗就属于本征半导体。原子最外层都有4个价电子。

在热力学温度为绝对零度且无外界激发的条件下，价电子无法获得足够的能量来打破共价键束缚，本征半导体没有载流子（空穴和自由电子），所以不导电。当温度升高或受光照时，晶格振动增强，本征半导体的价电子吸收声子或光子而获得能量，其中一部分价电子一定概率获得足够高的能量，从而摆脱共价键束缚成为带负电荷的自由电子，同时留下带正电荷的空穴,这种现象称之为本征激发

温度升高，热运动加剧，摆脱共价键束缚的电子增多，空穴也增多，即载流子增多，导电性增强。是造成导体器件温度稳定性差的原因

杂质半导体：

N型半导体
半导体硅掺入5价元素杂质，如磷等。N型半导体中，电子为多子，空穴为少子。能够在本征半导体中释放自由电子的杂质称为施主杂质。

P型半导体
半导体硅掺入3价元素杂质，如硼等。P型半导体中，空穴为多子，电子为少子。能够在本征半导体中释放空穴的杂质称为受主杂质。

杂质半导体中多子浓度约等于所掺杂质浓度，因而受温度影响小。但少子是由于热运动而产生，尽管浓度低，却对温度敏感，这是半导体器件温度稳定性差的主要原因。

PN结的形成及特性

载流子运动：
1）漂移运动—有电场作用下载流子的定向移动
2）扩散运动—掺杂浓度分布不均匀、受光照射或有载流子从外界注入时，半导体内载流子浓度分布不均匀。显然，扩散电流大小与载流子的浓度梯度成正比

PN结的形成

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正负电荷的相互作用，在空间电荷区中形成了一个电场，称为内电场。内电场的方向是由N区指向P区（正离子指向负离子）
内电场的形成与增强一方面阻碍多子的扩散运动，另一方面则增强少子的漂移运动。
开始的瞬间，只有多子的扩散运动。多子的扩散运动一旦发生，就形成了内电场。起初，内电场较弱，少子的漂移运动也弱，多子扩散运动占优势，空间电荷区继续拓展，内电场逐渐增强，少子漂移运动随之增强，同时多子扩散运动随之减弱（因为内电场增强，与浓度差降低）。当二者动态平衡，通过PN结交界面的净在载流子数为0，空间电荷区不在拓展而达到稳定的宽度，称此时的PN结为平衡PN结。

空间电荷区由于缺少载流子，所以电阻很高，是高阻区。为了强调PN结的特性，有时又称之为耗尽层、势垒区或阻挡层。

PN结的单向导电性

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正向偏置时，空间电荷区缩小，削弱内电场，外电场增大到一定值以后，扩散电流显著增加，形成明显的正向电流，PN结导通。

反向偏置时，空间电荷区拓展，加强内电场，扩散运动大大减弱，少子的漂移运动增强并占优势。然而常温下掺杂半导体的少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。
温度一定时，少子浓度一定，PN结反向电流几乎与外加反向电压无关，所以又称为反向饱和电流。

PN结的伏安特性

按照半导体理论分析，PN结的伏安特性方程近似为：
$i=I_S(e^{u/U_T}-1)$
u为PN结的外加电；，i为流过PN结的电流；T是热力学温度； $I_S$ 是反向饱和电流； $U_T$ 是温度的电压当量， $U_T=\dfrac{kT}{q}$ ,q是电子电荷量，k是波尔兹曼常数，常温下， $T=300K时，U_T=26mv$

当PN结外加正向电压，且 $u》U_T时，e^{u/U_T}》1,则i\approx I_S \,e^{u/U_T}$ ,正向电流按正向电压的指数级增大
当PN结外加反向电压，且 $|u|》U_T时，e^{u/U_T}《1,则I\approx -I_S$ ,即反偏时只流过很小的反向饱和电流，几乎与反向电压的大小无关。
当PN结的反偏电压增大到一定数值时，共价键遭到破坏，产生电子-空穴对，反向电流急剧增加，称之为PN结的反向击穿。
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