半導(dǎo)體二極管及ppt課件

1、 第二章第二章 半導(dǎo)體二極管及半導(dǎo)體二極管及 應(yīng)用電路應(yīng)用電路2-1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識（一半導(dǎo)體2.1.1 半導(dǎo)體材料 其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 半導(dǎo)體具有某些特殊性質(zhì)：如壓敏熱敏及摻雜特性，導(dǎo)電能力改變。2.1.2 本征半導(dǎo)體，空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體，空穴及其導(dǎo)電作用一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子價(jià)電子都是四個(gè)。的最外層電子價(jià)電子都是四個(gè)。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半

2、導(dǎo)體晶體。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對價(jià)與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對價(jià)電子。電子。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：體結(jié)構(gòu)：硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共共價(jià)鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示表示除去價(jià)除去價(jià)電子后電子后的原子的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為共價(jià)

3、鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。則排列，形成晶體。+4+4+4+4二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對在絕對0 0度度T=0KT=0K和沒有外界激發(fā)時(shí)和沒有

4、外界激發(fā)時(shí), ,價(jià)電價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子即載流子），它的導(dǎo)電能以運(yùn)動的帶電粒子即載流子），它的導(dǎo)電能力為力為 0 0，相當(dāng)于絕緣體。，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。1.1.載流子、自由電子和空穴載流子、自由電子和空穴+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征

5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴是載流可以認(rèn)為空穴是載流子。子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。自由電子和空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一能的一

6、個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流?？昭ㄒ苿赢a(chǎn)生的電流。（二雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中人為摻入某種“雜質(zhì)元素形成的半導(dǎo)體。分為N型半導(dǎo)體和P 型半導(dǎo)體。一 N型半導(dǎo)體： 在本征Si和Ge中摻入微量V族元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。 所摻入V族元素稱為施主 雜質(zhì)，簡稱施主 （能供給自由電子）。 右圖2-1） 二 P型半導(dǎo)體： 在本征Si和Ge中

7、摻入微量族元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。所摻入族元素稱為受主雜質(zhì)，簡稱受主能供給自由電子）。下圖所示圖2-2） P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。 三 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度： 少量摻雜，平衡狀態(tài)下：ni2 =n0p0 其中，ni 為本征濃度，n0 為自由電子濃度，p0 為空穴濃度圖2-3 雜質(zhì)半導(dǎo)體的電荷模型，圖中少子未畫出來。溫度增加，本征激發(fā)加劇， 但本征激發(fā)產(chǎn)生的多子遠(yuǎn)小雜質(zhì)電離產(chǎn)生的多子。半導(dǎo)體工作機(jī)理：雜質(zhì)是電特性。Si半導(dǎo)體比Ge半導(dǎo)體有更高的溫度。因?yàn)橥瑴囟葧r(shí)， Si 半導(dǎo)體比Ge半導(dǎo)體本征激發(fā)弱，更高的溫度時(shí)Si半導(dǎo)體 才會失去雜質(zhì)導(dǎo)電特性。2-2 PN結(jié)的形

8、成及特性PN結(jié)：將P型和N型半導(dǎo)體采用特殊工藝制造成半導(dǎo)體半導(dǎo)體內(nèi)有一物理界面，界面附近形成一個(gè)極薄的特殊區(qū)域，稱為PN結(jié)。PN結(jié)的形成：內(nèi)建電場：由N區(qū)指向P區(qū)的電場E。阻止兩區(qū)多子的散。 電場E產(chǎn)生的兩區(qū)少子越結(jié)漂移電流將部分抵消因濃度差產(chǎn)生的使兩區(qū)多子越結(jié)的擴(kuò)散電流。 擴(kuò)散進(jìn)一步進(jìn)行，空間電荷區(qū)內(nèi)的暴露離子數(shù)增多，電場E增強(qiáng)，漂移電流增大，當(dāng)擴(kuò)散電流=漂移電流時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)，形成PN結(jié)。無凈電流流過PN結(jié)。 PN結(jié)的形成PN結(jié)形成過程分解：結(jié)形成過程分解：2.2.1 PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕?無外接電壓的PN結(jié)開路PN結(jié)，平衡狀態(tài)PN結(jié) PN結(jié)外加電壓時(shí) 外電路產(chǎn)生電流 正向偏置簡稱正偏

9、） PN結(jié)： PN結(jié)外加直流電壓V：P區(qū)接高電位正電位），N區(qū)接低電位負(fù)電位） 正偏正向電流PN結(jié)加正向電壓的結(jié)加正向電壓的 情形情形+REPN 結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變薄變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電形成較大的擴(kuò)散電流。流。2 反向偏置簡稱反偏） PN結(jié)反偏：P區(qū)接低電位負(fù)電位），N區(qū)接高電位正電位）。 硅PN結(jié)的Is 為pA級 溫度T增大 Is PN 結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置+內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變厚變厚NP+_內(nèi)電場被被加強(qiáng)，內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子漂移加強(qiáng)

10、，但少子數(shù)量有限，只少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向能形成較小的反向電流。電流。REPN結(jié)加反向電壓的情形結(jié)加反向電壓的情形3 PN結(jié)的伏安特性 PN結(jié)的伏安特性曲線：圖2-4伏安特性曲線2-4）對應(yīng)表:3.PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 二極管處于反向偏置時(shí)，在一二極管處于反向偏置時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小，但電壓結(jié)的電流很小，但電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為反向擊穿。們就稱為反向擊穿。 擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。 齊納擊穿：高摻雜情況下

11、，耗盡層很窄，宜于齊納擊穿：高摻雜情況下，耗盡層很窄，宜于形成強(qiáng)電場，而破壞共價(jià)鍵，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵形成強(qiáng)電場，而破壞共價(jià)鍵，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛形成電子空穴對，致使電流急劇增加。束縛形成電子空穴對，致使電流急劇增加。 雪崩擊穿：如果攙雜濃度較低，不會形成齊雪崩擊穿：如果攙雜濃度較低，不會形成齊納擊穿，而當(dāng)反向電壓較高時(shí)，能加快少子的漂移納擊穿，而當(dāng)反向電壓較高時(shí)，能加快少子的漂移速度，從而把電子從共價(jià)鍵中撞出，形成雪崩式的速度，從而把電子從共價(jià)鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應(yīng)。連鎖反應(yīng)。 對于硅材料的對于硅材料的PN結(jié)來說，擊穿電壓結(jié)來說，擊穿電壓7v時(shí)為雪崩時(shí)為雪崩擊穿，擊穿，4v時(shí)為齊

12、納擊穿。在時(shí)為齊納擊穿。在4v與與7v之間，兩種擊之間，兩種擊穿都有。這種現(xiàn)象破壞了穿都有。這種現(xiàn)象破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，我結(jié)的單向?qū)щ娦?，我們在使用時(shí)要避免。們在使用時(shí)要避免。 *擊穿并不意味著擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞。結(jié)燒壞。2-3 半導(dǎo)體二極管2.1.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu)PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線引線外殼線外殼線觸絲線觸絲線基片基片點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型PN結(jié)結(jié)面接觸型面接觸型PN二極管的電路符號：二極管的電路符號： 二、伏安特性二、伏安特性UI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.6V,鍺管鍺管0.2V。

13、導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,0.60.7V,鍺管鍺管0.20.3V0.20.3V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)1. 最大整流電流最大整流電流 IOM二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。正向平均電流。2. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓壓UWRMUWRM一般是一般是UBR

14、UBR的一半。的一半。3. 反向電流反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)

15、用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。4. 微變電阻微變電阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二極管特性曲線上工是二極管特性曲線上工作點(diǎn)作點(diǎn)Q 附近電壓的變化與附近電壓的變化與電流的變化之比：電流的變化之比：DDDiur顯然，顯然，rD是對是對Q附近的微小附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。變化區(qū)域內(nèi)的電阻。PN結(jié)的電流方程結(jié)的電流方程PN結(jié)所加端電壓結(jié)所加端電壓U與流過它的電流與流過它的電流I的關(guān)系的關(guān)系為：為：其中其中Is為反向飽和電流，為反向飽和電流，UT為為kt/q，k為玻耳茲曼為玻耳茲曼常數(shù)，常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，為熱力學(xué)溫度，q為電

16、子的電量，常溫下，為電子的電量，常溫下，T300K時(shí)，時(shí)，UT可取可取26mv對于二極管其動態(tài)電阻為：對于二極管其動態(tài)電阻為：eueUtutUtuIsduIsddudididu1*)1(115. 二極管的極間電容二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容電容CBCB和擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電容CDCD。勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。的電容是

17、勢壘電容。擴(kuò)散電容：為了形成正向電流擴(kuò)散電容：為了形成正向電流擴(kuò)散電流），注入擴(kuò)散電流），注入P P 區(qū)的少子區(qū)的少子電子在電子在P P 區(qū)有濃度差，越靠區(qū)有濃度差，越靠近近PNPN結(jié)濃度越大，即在結(jié)濃度越大，即在P P 區(qū)有電區(qū)有電子的積累。同理，在子的積累。同理，在N N區(qū)有空穴的區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容電容CDCD。P+-NCB在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí)，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略。置時(shí)，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略。P

18、N結(jié)高頻小信號時(shí)的等效電路：結(jié)高頻小信號時(shí)的等效電路：勢壘電容和擴(kuò)散勢壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)電容的綜合效應(yīng)rd二極管：死區(qū)電壓二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降，正向壓降0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流：二極管半波整流2-4 二極管基本電路及其分析方法1 整流電路： 圖2-5整流： 利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，將交流變成單向即直流脈動電壓的過程，稱為整流。圖2-5圖2-6為典型的單相半波整流電路。分析如下： （1當(dāng)vi(t)0 二極管正偏 （2當(dāng)

19、vi(t) 0 二極管反偏2-62-72 限幅電路：（1雙向限幅電路：如下圖，設(shè)vi(t)=3sint 3 鉗位電路： 能改變信號的直流電壓成分，又叫直流恢復(fù)電路。圖2-8。 設(shè)vi(t) 是2.5V 的方波信號2-9b）2-82-82.5 特殊二極管特殊二極管2.5.1 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管UIIZIZmax UZ IZ穩(wěn)穩(wěn)壓壓誤誤差差曲線越曲線越陡，電陡，電壓越穩(wěn)壓越穩(wěn)定。定。+-UZ動態(tài)電阻：動態(tài)電阻：ZZIUZrrz越小，穩(wěn)越小，穩(wěn)壓性能越好。壓性能越好。 專門工作與反向擊穿狀態(tài)的二極管穩(wěn)壓 管。電路符號圖2-10b），特性曲線圖2-10a）。 1 穩(wěn)壓 管的參數(shù)： 穩(wěn)定電壓Vz 最小

20、穩(wěn)定電流IzMIN ： 最大穩(wěn)定電流IzMAX ： 動態(tài)電阻rz ： 動態(tài)電阻的溫度系數(shù)：（4穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5最大允許功耗最大允許功耗maxZZZMIUP穩(wěn)壓二極管的參數(shù)穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ（2電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù)U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3動態(tài)電阻動態(tài)電阻ZZIUZr穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù)穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù): :k10LR負(fù)載電阻負(fù)載電阻 。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生要求