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文檔簡介

1、 1.1 半導體的基礎(chǔ)知識 物體根據(jù)導電能力的強弱可分為導體、半導體和絕緣體三大類。凡容易導電的物質(zhì)(如金、銀、銅、鋁、鐵等金屬物質(zhì))稱為導體;不容易導電的物質(zhì)(如玻璃、橡膠、塑料、陶瓷等)稱為絕緣體;導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)(如硅、鍺、硒等)稱為半導體。半導體之所以得到廣泛的應(yīng)用,是因為它具有熱敏性、光敏性、摻雜性等特殊性能。 1.1.1本征半導體 本征半導體是一種純凈的半導體晶體。常用的半導體材料是單晶硅(Si)和單晶鍺(Ge)。 半導體硅和鍺都是4價元素,其原子結(jié)構(gòu)如圖1.1(a),(b)所示。半導體二極管基礎(chǔ)知識解讀半導體二極管基礎(chǔ)知識解讀4慣性核價電子Ge32Si14原子核

2、電子軌道價電子(a)(b)(c) 圖1.1半導體的原子結(jié)構(gòu)示意圖 (a)硅原子;(b)鍺原子;(c)簡化模型 第一章 半導體二極管 本征半導體晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示。由圖1.2可見,各原子間整齊而有規(guī)則地排列著,使每個原子的4個價電子不僅受所屬原子核的吸引,而且還受相鄰4個原子核的吸引,每一個價電子都為相鄰原子核所共用,形成了穩(wěn)定的共價鍵結(jié)構(gòu)。每個原子核最外層等效有8個價電子,由于價電子不易掙脫原子核束縛而成為自由電子,因此,本征半導體導電能力較差。 但是,如果能從外界獲得一定的能量(如光照、溫升等),有些價電子就會掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子,在共價鍵中留下一個空位,稱為“空穴”???/p>

3、穴的出現(xiàn)使相鄰原子的價電子離開它所在的共價鍵來填補這個空穴,同時,這個共價鍵又產(chǎn)生了一個新的空穴。這個空穴也會被相鄰的價電子填補而產(chǎn)生新的空穴,這種電子填補空穴的運動相當于帶正電荷的空穴在運動,并把空穴看成一種帶正電荷的載流子??昭ㄔ蕉?,半導體的載流子數(shù)目就越多,因此形成的電流就越大。第一章 半導體二極管4共價鍵44444444價電子圖1.2 單晶硅的共價鍵結(jié)構(gòu)第一章 半導體二極管看看這里看看這里 在本征半導體中,空穴與電子是成對出現(xiàn)的,稱為電子空穴對。其自由電子和空穴數(shù)目總是相等的。本征半導體在溫度升高時產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。溫度越高,產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)目就越多,這就是半導體的熱

4、敏性。 在半導體中存在著自由電子和空穴兩種載流子,而導體中只有自由電子這一種載流子,這是半導體與導體的不同之處。 1.1.2 雜質(zhì)半導體 在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)元素,就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)元素的性質(zhì)不同,雜質(zhì)半導體可分為P型半導體和N型半導體兩大類。 1. P型半導體 P型半導體是在本征半導體硅(或鍺)中摻入微量的3價元素(如硼、銦等)而形成的。因雜質(zhì)原子只有3個價電子,它與周圍硅原子組成共價鍵時,缺少1個電子,因此在晶體中便產(chǎn)生一個空穴,當相鄰共價鍵上的電子受熱激發(fā)獲得能量時,就有可能填補這個空穴,使硼原子成為不能移動的負離子,而原來硅原子的共價鍵因缺少了一個

5、電子,便形成了空穴,使得整個半導體仍呈中性,如圖1.3所示。第一章 半導體二極管圖1.3 P型半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)第一章 半導體二極管 在P型半導體中,原來的晶體仍會產(chǎn)生電子空穴對,由于雜質(zhì)的摻入,使得空穴數(shù)目遠大于自由電子數(shù)目,成為多數(shù)載流子(簡稱多子),而自由電子則為少數(shù)載流子(簡稱少子)。因而P型半導體以空穴導電為主。 2. N型半導體 N型半導體是在本征半導體硅中摻入微量的5價元素(如磷、砷、鎵等)而形成的,雜質(zhì)原子有5個價電子與周圍硅原子結(jié)合成共價鍵時,多出1個價電子,這個多余的價電子易成為自由電子,如圖1.4所示。 綜上所述,在摻入雜質(zhì)后,載流子的數(shù)目都有相當程度的增加。因而對半導體

6、摻雜是改變半導體導電性能的有效方法。第一章 半導體二極管4自由電子44454444施主原子 圖1.4 N型半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)第一章 半導體二極管 1.1.3 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1.PN結(jié)的形成 在同一塊半導體基片的兩邊分別形成N型和P型半導體,它們的交界面附近會形成一個很薄的空間電荷區(qū),稱其為PN結(jié)。 PN結(jié)的形成過程如圖1.5所示。第一章 半導體二極管P區(qū)(a)N區(qū)(b)PN耗盡層空間電荷區(qū)擴散運動方向自建場 圖1.5 PN結(jié)的形成(a)多子擴散示意圖;(b)PN結(jié)的形成第一章 半導體二極管 2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)PN結(jié)正向偏置導通 給PN結(jié)加上電壓,使電壓的正極接P區(qū),負極接N

7、區(qū)(即正向連接或正向偏置),如圖1.6(a)所示。由于PN結(jié)是高阻區(qū),而P區(qū)與N區(qū)電阻很小,因而外加電壓幾乎全部落在PN結(jié)上。由圖可見,外電場將推動P區(qū)多子(空穴)向右擴散,與原空間電荷區(qū)的負離子中和,推動N區(qū)的多子(電子)向左擴散與原空間電荷區(qū)的正離子中和,使空間電荷區(qū)變薄,打破了原來的動態(tài)平衡。同時電源不斷地向P區(qū)補充正電荷,向N區(qū)補充負電荷,其結(jié)果使電路中形成較大的正向電流,由P區(qū)流向N區(qū)。這時PN結(jié)對外呈現(xiàn)較小的阻值,處于正向?qū)顟B(tài)。第一章 半導體二極管結(jié)變窄PN自建場方向外電場方向正向電流(很大)結(jié)變寬PN自建場方向外電場方向反向電流(很?。?a)(b) 圖1.6 PN結(jié)的單向?qū)щ?/p>

8、性 (a)正向連接; (b)反向連接第一章 半導體二極管看看這里看看這里 2)PN結(jié)反向偏置截止 將PN結(jié)按圖1.6(b)所示方式連接(稱PN結(jié)反向偏置)。由圖可見,外電場方向與內(nèi)電場方向一致,它將N區(qū)的多子(電子)從PN結(jié)附近拉走,將P區(qū)的多子(空穴)從PN結(jié)附近拉走,使PN結(jié)變厚,呈現(xiàn)出很大的阻值,且打破了原來的動態(tài)平衡,使漂移運動增強。由于漂移運動是少子運動,因而漂移電流很??;若忽略漂移電流,則可以認為PN結(jié)截止。 綜上所述,PN結(jié)正向偏置時,正向電流很大;PN結(jié)反向偏置時,反向電流很小,這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?3) PN結(jié)的電容效應(yīng) (1)勢壘電容CT。當PN結(jié)的外加電壓大小變化時

9、,PN結(jié)空間電荷區(qū)的寬度也隨著變化,即電荷量發(fā)生變化。這種電荷量隨外加電壓的變化所形成的電容效應(yīng)稱為勢壘電容。勢壘電容通常用CT表示。CT不是一個常數(shù),它隨外加電壓的變化而變化。利用勢壘電容可以制成變?nèi)荻O管。第一章 半導體二極管 (2)擴散電容CD。擴散電容是PN結(jié)在正向偏置時,多數(shù)載流子在擴散過程中引起電荷積累而產(chǎn)生的。擴散電容通常用CD表示。 PN結(jié)的結(jié)電容Cj包含兩部分,即Cj=CT+CD。一般情況,PN結(jié)正偏時,擴散電容起主要作用,即 Cj=CD;PN結(jié)反偏時,勢壘電容起主要作用,即 Cj=CT。 2 半導體二極管2.2.1 半導體二極管的結(jié)構(gòu)、符號及類型 1結(jié)構(gòu)符號二極管的結(jié)構(gòu)外形

10、及在電路中的文字符號如圖1.7所示,在圖1.7(b)所示電路符號中,箭頭指向為正向?qū)娏鞣较?。第一?半導體二極管PN(陽極)外殼陰極引線陽極引線(陽極)(陰極)(陰極)(a)(b)V第一章 半導體二極管 圖1.7 二極管結(jié)構(gòu)、符號及外形舉例 (a)結(jié)構(gòu);(b)符號2AP2CP2CZ542CZ132CZ30(c) 圖1.7 二極管結(jié)構(gòu)、符號及外形舉例 (c)外形第一章 半導體二極管 2類型 (1) 按材料分:有硅二極管,鍺二極管和砷化鎵二極管等。 (2) 按結(jié)構(gòu)分:根據(jù)PN結(jié)面積大小,有點接觸型、面接觸型二極管。 (3) 按用途分:有整流、穩(wěn)壓、開關(guān)、發(fā)光、光電、變?nèi)荨⒆枘岬榷O管。 (4)

11、按封裝形式分:有塑封及金屬封等二極管。 (5)按功率分:有大功率、中功率及小功率等二極管。 1.2.2 半導體二極管的特性 1.伏安特性 根據(jù)制造材料的不同,二極管可分為硅、鍺兩大類。相應(yīng)的伏安特性也分為兩類。圖1.8(a)所示為硅二極管的伏安特性;圖1.8(b)所示為鍺二極管的伏安特性?,F(xiàn)以圖1.8(a)所示硅二極管為例來分析二極管的伏安特性。 第一章 半導體二極管00.40.81.2U / V48I / mAA1020BC二極管特性死區(qū)電壓I / A(a)50100150UBEDRUIRUI 圖1.8 二極管的伏安特性 (a)硅二極管2CP6; 第一章 半導體二極管0 0.4 0.8 1.

12、2U / V48I / mAA0.2BC死區(qū)電壓I / A(b)1020UB3040 圖1.8 二極管的伏安特性 (b)鍺二極管2AP15第一章 半導體二極管 1)正向特性 OA段:稱為“死區(qū)”。 AB段:稱為正向?qū)▍^(qū)。 2)反向特性 OD段:稱為反向截止區(qū)。這時二極管呈現(xiàn)很高的電阻,在電路中相當于一個斷開的開關(guān),呈截止狀態(tài)。 DE段:稱為反向擊穿區(qū)。當反向電壓增加到一定值時,反向電流急劇加大,這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。發(fā)生擊穿時所加的電壓稱為反向擊穿電壓,記做B。這時電壓的微小變化會引起電流很大的變化,表現(xiàn)出很好的恒壓特性。同樣,若對反向擊穿后的電流不加以限制,結(jié)也會因過熱而燒壞,這種情況稱為

13、熱擊穿。第一章 半導體二極管 2. 溫度特性 溫度對二極管伏安特性的影響如圖1.9所示。(1)當溫度升高時,二極管的正向特性曲線向左移動。這是因為溫度升高時,擴散運動加強,產(chǎn)生同一正向電流所需的壓降減小的緣故。(2)當溫度升高時,二極管的反向特性曲線向下移動。這是因為溫度升高,本征激發(fā)加強,半導體中少子數(shù)目增多,在同一反向電壓下,漂移電流增大的緣故。(3)當溫度升高時,反向擊穿電壓減小。擊穿現(xiàn)象是由于大的反向電流使少數(shù)載流子獲得很大的動能,當它與結(jié)內(nèi)的原子發(fā)生碰撞時,產(chǎn)生了很多的電子空穴對,使結(jié)內(nèi)載流子數(shù)目急劇增加,并在反向電壓作用下形成很大的反向電流。因此溫度升高時,反向擊穿電壓減小。綜上所

14、述,溫度升高時,二極管的導通壓降F降低,反向擊穿電壓B減小,反向飽和電流IS增大。第一章 半導體二極管604020100200300102000.518020U / VUFIS / AI / mA圖1.9 溫度對二極管伏安特性的影響第一章 半導體二極管 2.3 半導體二極管的主要參數(shù) 二極管的參數(shù)是定量描述二極管性能的質(zhì)量指標,只有正確理解這些參數(shù)的意義,才能合理、正確地使用二極管。 1. 最大整流電流IF 最大整流電流是指管子長期運行時,允許通過的最大正向平均電流。因為電流通過PN結(jié)時要引起管子發(fā)熱。電流太大,發(fā)熱量超過限度,就會使PN結(jié)燒壞。例如2AP1最大整流電流為16mA。 2. 反向

15、擊穿電壓UB 反向擊穿電壓是指反向擊穿時的電壓值。擊穿時,反向電流劇增,使二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?,甚至會因過熱而燒壞。一般手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半,以確保管子安全工作。例如2AP1最高反向工作電壓規(guī)定為20V,而實際反向擊穿電壓可大于40V。第一章 半導體二極管 3. 反向飽和電流IS 在室溫下,二極管未擊穿時的反向電流值稱為反向飽和電流。該電流越小,管子的單向?qū)щ娦阅芫驮胶?。由于溫度升高,反向電流會急劇增加,因而在使用二極管時要注意環(huán)境溫度的影響。 二極管的參數(shù)是正確使用二極管的依據(jù),一般半導體器件手冊中都給出不同型號管子的參數(shù)。在使用時,應(yīng)特別注意不要超過最大整流電

16、流和最高反向工作電壓,否則管子容易損壞。 1.4 特殊二極管前面主要討論了普通二極管,另外還有一些特殊用途的二極管,如穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管和變?nèi)荻O管等,現(xiàn)介紹如下。 1穩(wěn)壓二極管 1)穩(wěn)壓二極管的工作特性 穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管,它的特性曲線和符號如圖1.20所示。第一章 半導體二極管看看這里看看這里(a)UZUZUBUAU / VOIZIZIA(IZmin)IB(IZmax)ABI / mAV 圖1.20穩(wěn)壓二極管的特性曲線和符號 (a)伏安特性曲線;(b)符號第一章 半導體二極管(b)看看這里看看這里 2)穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) (1)穩(wěn)定電壓UZ。 穩(wěn)定電壓UZ即反向擊穿電壓

17、。 (2)穩(wěn)定電流IZ。穩(wěn)定電流IZ是指穩(wěn)壓管工作至穩(wěn)壓狀態(tài)時流過的電流。當穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流小于最小穩(wěn)定電流IZmax時,沒有穩(wěn)定作用;大于最大穩(wěn)定電流IZmax時,管子因過流而損壞。 2發(fā)光二極管發(fā)光二極管與普通二極管一樣,也是由PN結(jié)構(gòu)成的,同樣具有單向?qū)щ娦?但在正向?qū)〞r能發(fā)光,所以它是一種把電能轉(zhuǎn)換成光能的半導體器件。電路符號如圖1.24所示。圖1.2.4 發(fā)光二極管電路符號V第一章 半導體二極管 1)普通發(fā)光二極管 普通發(fā)光二極管工作在正偏狀態(tài)。 檢測發(fā)光二極管,一般用萬用表R10k()擋,方法和普通二極管一樣,一般正向電阻15k左右,反向電阻為無窮大。 2)紅外線發(fā)光二極管 紅外線發(fā)光二極管工作在正偏狀態(tài)。 用萬用表R1k()擋檢測,若正向阻值在30k左右,反向為無窮大,則表明正常,否則紅外線發(fā)光二極管性能變差或損

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