半導(dǎo)體及半導(dǎo)體二極管

內(nèi)容

一半導(dǎo)體的基本知識(shí)二PN結(jié)的形成及特性三半導(dǎo)體二極管四二極管基本電路及其分析方法五特殊二極管

一、半導(dǎo)體的基本知識(shí)

1半導(dǎo)體材料

2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用

4雜質(zhì)半導(dǎo)體1、半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體：其導(dǎo)電性能介于絕緣體和導(dǎo)體之間且受外界因素影響較大,如光、溫度或摻雜等。

制成電子器件的常用半導(dǎo)體材料有：元素半導(dǎo)體：Si、Ge等化合物半導(dǎo)體：砷化鎵GaAs等摻雜用半導(dǎo)體：B、P、Al等2、半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺的二維晶格結(jié)構(gòu)圖

硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)3本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電作用

本征半導(dǎo)體特點(diǎn)：

1).在0K時(shí)，呈絕緣體特征。

2).T受熱激發(fā)（本征激發(fā)）產(chǎn)生

自由電子－空穴對(duì)。

下面是本征激發(fā)示意圖和動(dòng)畫(huà)

本征半導(dǎo)體：純凈的不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體

本征激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程示意圖

動(dòng)畫(huà)1-13)有兩種載流子可以參與導(dǎo)電:

自由電子和空穴。本征半導(dǎo)體特點(diǎn)：自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流;空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流;它們的方向相反.

空穴在晶格中的移動(dòng)示意圖（動(dòng)畫(huà)1-2）4雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（3價(jià)或5價(jià)元素）會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能顯著增強(qiáng)。

.P型半導(dǎo)體

.N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體

即在Si（或Ge）中摻入少量3價(jià)元素（如硼、鋁、銦等）。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：e.在無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，呈電中性總的空穴數(shù)=本征激發(fā)空穴+雜質(zhì)原子形成的空穴b.總的自由電子數(shù)=本征激發(fā)的電子數(shù)c.空穴為多數(shù)載流子,自由電子為少數(shù)載流子所摻雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)（或P型雜質(zhì)、

受主原子）N型半導(dǎo)體

即Si（或Ge）中摻入5價(jià)元素（如磷P）

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖N

型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)圖N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：a.總的空穴數(shù)=本征激發(fā)空穴b.總的自由電子數(shù)=本征激發(fā)的自由電子數(shù)+

雜質(zhì)原子產(chǎn)生的自由電子c.自由電子為多數(shù)載流子

空穴為少數(shù)載流子(少子）d.所摻雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)（或N型雜質(zhì)、施主原子）e.在無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，呈電中性下面是雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能產(chǎn)生影響的典型數(shù)據(jù)。雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響：

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

(本征激發(fā)產(chǎn)生的）n=p=1.4×1010/cm31

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3二、

PN結(jié)的形成及其特性1、PN結(jié)的形成2、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦訮N結(jié)的反向擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng)1、PN結(jié)的形成

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

PN結(jié)形成動(dòng)畫(huà)1－3

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)?？臻g電荷區(qū)，又稱耗盡層，或勢(shì)壘區(qū)。

2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果外加電壓使PN結(jié)中：

P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)PN結(jié)的外加正向電壓時(shí)的情況分析(2)結(jié)的外加反向電壓時(shí)的情況分析(3)PN結(jié)的V－I特性

(1)PN結(jié)在外加正向電壓時(shí)的情況分析

（動(dòng)畫(huà)1-4）PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況形成正向電流多子向PN結(jié)移動(dòng)空間電荷變窄內(nèi)電場(chǎng)減弱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)(1)PN結(jié)在外加正向電壓時(shí)的情況分析PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況(2)PN結(jié)的外加反向電壓時(shí)的情況分析

（動(dòng)畫(huà)1-5）形成反向電流多子背離PN結(jié)移動(dòng)空間電荷區(qū)變寬,內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)(2)PN結(jié)的外加反向電壓時(shí)的情況分析

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。PN結(jié)單向?qū)щ娦?

PN結(jié)外加正向電壓時(shí),擴(kuò)散電流______漂移電流,耗盡層________。思考題：

(3)PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆3.PN結(jié)反向擊穿：4.PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖

當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使多數(shù)載流子穿過(guò)PN結(jié)，在對(duì)方區(qū)域PN結(jié)附近有高于正常情況時(shí)的電荷累積。存儲(chǔ)電荷量的大小，取決于PN結(jié)上所加正向電壓值的大小。離結(jié)越遠(yuǎn)，由于空穴與電子的復(fù)合，濃度將隨之減小。若外加正向電壓有一增量V，則相應(yīng)的空穴（電子）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在結(jié)的附近產(chǎn)生一電荷增量Q，二者之比Q/V為擴(kuò)散電容CD。(2)勢(shì)壘電容CB三、半導(dǎo)體二極管1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)2二極管的Ｖ—Ｉ特性3二極管的參數(shù)組成：一個(gè)PN結(jié)符號(hào)：

根據(jù)結(jié)構(gòu)分類(lèi)：1.點(diǎn)接觸型

2.面接觸型1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)a（陽(yáng)極、正極,anode）k（陰極、負(fù)極,kathode）D點(diǎn)接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(1)、點(diǎn)接觸型二極管(2)面接觸型二極管面接觸型

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。國(guó)產(chǎn)二極管型號(hào)命名規(guī)格號(hào)普通管型鍺材料二極管如:2AP1N型硅材料型硅材料型鍺材料型鍺材料

NPNPA:B:C:D:半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片2二極管的V-I特性二極管的伏安特性曲線特性曲線如右圖,可分為三個(gè)部分a.正向特性(外加正向電壓)

特點(diǎn):●當(dāng)vD>Vth時(shí),呈低阻●當(dāng)iD較大時(shí),vD基本恒定Vth:門(mén)坎電壓或死區(qū)電壓（鍺管的約0.1V，硅管的約0.5V）2二極管的V-I特性b.反向特性(外加反向電壓)特點(diǎn)：●.呈高阻●.反向電流基本恒定Is:反向飽和電流很小，微安級(jí)，受溫度影響明顯。c反向擊穿特點(diǎn):●.電擊穿時(shí),呈低阻●.熱擊穿時(shí)斷開(kāi)VBR:反向擊穿電壓硅管和鍺管的比較：硅二極管2CP10伏安特性鍺二極管2AP15伏安特性硅管和鍺管的比較：

正向?qū)▔航禍囟确€(wěn)定性硅二極管~0.5小~0.7好鍺二極管~0.1較大~0.3稍差

正向?qū)▔航?/p>

溫度穩(wěn)定性反向偏置時(shí)：正向偏置時(shí)：二極管的V-I關(guān)系式：

器件的參數(shù)是其特性的定量描述,是正確使用和合理選擇器件的依據(jù)。(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR(3)反向電流IR(4)極間電容Cd(結(jié)電容)

3二極管的參數(shù):

定義：指管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流。IDImiDiD0π2π3πD(1)最大整流電流(最大正向工作電流)IF

查手冊(cè)：2AP1的IF=16mA

示例：若二極管D(2AP1)流過(guò)的正向電流,

波形如下圖,則使用時(shí)應(yīng)注意ID<IF定義：指管子反向擊穿時(shí)的電壓。手冊(cè)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。管子工作時(shí),反向電壓最大值不能超過(guò)該參數(shù)。ωt-vmvDD2AP1＋－vD(2)反向擊穿電壓VBR●示例：2AP1的最高反向工作電壓為20V，使用時(shí)應(yīng)注意Vm<20V(3)反向電流IR定義:指管子未擊穿時(shí)的反向電流。其值越小則管子的單向?qū)щ娦栽胶谩?4)極間電容Cd

（結(jié)電容）包括擴(kuò)散電容CD和勢(shì)壘電容CB

二極管（PN結(jié)）高頻等效電路：二極管使用注意：特別不要超過(guò)最大整流電流和最高反向工作電壓，否則管子易損壞。思考題：如何用萬(wàn)用表歐姆檔來(lái)識(shí)別一只二極管的陽(yáng)、陰極？rC二極管電路例題例

整流電路如圖（a）所示，二極管的死區(qū)電壓和導(dǎo)通壓降可以忽略，vs為正弦信號(hào)，如圖（b）所示，分析電路功能，并畫(huà)出輸出電壓波形。如何判斷二極管在電路中是導(dǎo)通的還是截止先假設(shè)二極管兩端斷開(kāi)，確定二極管兩端的電位差；若電路出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上二極管，應(yīng)先判斷承受正向電壓較大的管子優(yōu)先導(dǎo)通，再按照上述方法判斷其余的管子是否導(dǎo)通。根據(jù)二極管兩端加的是正電壓還是反電壓判定二極管是否導(dǎo)通，若為