part 1 半導(dǎo)體二極管 -s (2)課件

考試70％平時(shí)30％平時(shí)成績＝到課＋課堂表現(xiàn)＋作業(yè)到課：點(diǎn)名缺課（事前請(qǐng)假）假條遲到課堂表現(xiàn)：回答問題＋紀(jì)律作業(yè)：按時(shí)效果半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性雜質(zhì)半導(dǎo)體PN結(jié)及其單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體概念依照導(dǎo)電性能，可以把媒質(zhì)分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電能力，銅、鋁等金屬材料；絕緣體基本上不能導(dǎo)電，玻璃、陶瓷等材料；半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，硅(SiSilicon)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等材料。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會(huì)隨溫度、光照的變化或因摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化。銅導(dǎo)線(左上)、玻璃絕緣體(左下)和硅晶體(上)光敏電阻是一種特殊的電阻，它的電阻和光線的強(qiáng)弱有直接關(guān)系光強(qiáng)度增加，則電阻減??；光強(qiáng)度減小，則電阻增大。通常應(yīng)用于光控電路，如路燈照明、警報(bào)器、樓梯燈本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)一、本征半導(dǎo)體指純單晶，理想化的?，F(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)。結(jié)構(gòu)：GeSi硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子共價(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，導(dǎo)電能力很弱。共價(jià)鍵：共價(jià)鍵就是相鄰兩個(gè)原子中的價(jià)電子為共用電子對(duì)而形成的相互作用力。對(duì)大多數(shù)原子來說，外層電子數(shù)為8時(shí)它們達(dá)到飽和。這時(shí)它們的外層電子數(shù)與同周期的惰性氣體元素的外層電子數(shù)相同。

幾個(gè)概念本征激發(fā)：當(dāng)本征半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照時(shí)，某些共價(jià)鍵中的價(jià)電子從外界獲得能量而掙脫共價(jià)鍵的束縛，離開原子而成為自由電子的同時(shí)，在共價(jià)鍵中會(huì)留下數(shù)量相同的空位子→→→空穴。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)形成:電子(負(fù)電荷)-空穴（帶正電）（1）漂移電流：

自由電子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)形成的電流稱為漂移電流。（2）空穴電流：空穴在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)形成的電流稱為空穴電流。電子電流與空穴電流的實(shí)際方向是相同的，總和即半導(dǎo)體中的電流。（3）復(fù)合：自由電子在熱運(yùn)動(dòng)過程中和空穴相遇，造成電子-空穴對(duì)消失，這一過程稱為復(fù)合。

雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻雜后的半導(dǎo)體，包括N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素(磷、砷、銻)等，每個(gè)雜質(zhì)原子提供一個(gè)自由電子，從而大量增加自由電子數(shù)量。N型半導(dǎo)體中自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度，為多數(shù)載流子(多子)，空穴為少數(shù)載流子(少子)。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由電子

雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的記憶及示意表示法：－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。結(jié)論

不論P(yáng)型或N型半導(dǎo)體，摻雜越多，摻雜濃度越大，多子數(shù)目就越多，多子濃度就越大，少子濃度也小。摻雜后，多子濃度都將遠(yuǎn)大于少子濃度，且即使是少量摻雜，載流子都會(huì)有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，表明其導(dǎo)電能力顯著增大。幾十萬到幾百萬倍在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度近似等于摻雜濃度，其值與溫度幾乎無關(guān)，而少子濃度也將隨溫度升高而顯著增大。小結(jié)1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)，故其有一定的導(dǎo)電能力。3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。PN結(jié)的形成在一塊晶體兩邊分別形成P型(硼)和N型半導(dǎo)體(磷)。由于P區(qū)有大量空穴(濃度大)，而N區(qū)的空穴極少(濃度小)，因此空穴要從濃度大的P區(qū)向濃度小的N區(qū)擴(kuò)散。

N區(qū)電子也類似反向運(yùn)動(dòng)PN自由電子空穴擴(kuò)散擴(kuò)散空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)多數(shù)載流子將擴(kuò)散形成耗盡層；耗盡了載流子的交界處留下不可移動(dòng)的離子形成空間電荷區(qū)；（內(nèi)電場(chǎng)）內(nèi)電場(chǎng)阻礙了多子的繼續(xù)擴(kuò)散?？臻g電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋作用。但對(duì)少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴)則可推動(dòng)它們?cè)竭^空間電荷區(qū)，進(jìn)入對(duì)方。少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。漂移漂移漂移幾個(gè)重要概念：①擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

——多子因濃度差而引起的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。②漂移運(yùn)動(dòng)

——空間電荷區(qū)在內(nèi)部形成電場(chǎng)的作用下，少子會(huì)定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移。③空間電荷區(qū)——在PN結(jié)的交界面附近，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子與空穴復(fù)合，在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又稱為阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)。④內(nèi)部電場(chǎng)——由空間電荷區(qū)將形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)E，這一內(nèi)部電場(chǎng)的作用是阻擋多子的擴(kuò)散，加速少子的漂移。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕璓N結(jié)外加電壓情形如果在PN結(jié)上加正向電壓，即外電源的正端接P區(qū)，負(fù)端接N區(qū)。可見外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，因此擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞。外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷，同時(shí)N區(qū)的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷。于是，整個(gè)空間電荷區(qū)變窄，電內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流(正向電流)。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，即PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很高。又因?yàn)樯贁?shù)載流子是由于價(jià)電子獲得熱能(熱激發(fā))掙脫共價(jià)鍵的束縛而產(chǎn)生的，環(huán)境溫度愈高，少數(shù)載流子的數(shù)目愈多。所以溫度對(duì)反向電流的影響很大。PN結(jié)單向?qū)щ娦约丛赑N結(jié)上加正向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很低正向電流較大(PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài))加反向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很高，反向電流很小(PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài))。PN結(jié)的反向擊穿問題PN結(jié)反向偏置時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小基本上可視為零值。但當(dāng)電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿。

反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)。擊穿的原因主要有兩種：當(dāng)PN結(jié)上加的反向電壓超過一定限度時(shí)，阻擋層較厚，處在強(qiáng)電場(chǎng)中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格，將價(jià)電子碰撞出來，產(chǎn)生電子空穴對(duì)新產(chǎn)生的載流子再去碰撞其它價(jià)電子產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，如此連鎖反應(yīng)，使反向電流越來越大。

(1)雪崩擊穿當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高，阻擋層又很薄時(shí)，阻擋層內(nèi)載流子與原子碰撞的機(jī)會(huì)大為減少，因而發(fā)生雪崩擊穿幾率較小。(2)齊納擊穿當(dāng)PN結(jié)非常薄時(shí)，阻擋層兩端加的反向電壓不太大，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較強(qiáng)的內(nèi)電場(chǎng)。這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)足以把PN結(jié)內(nèi)中性原子的價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來，產(chǎn)生出大量的電子—空穴對(duì)，使PN結(jié)反向電流劇增?？梢?，齊納擊穿發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，一般小于5V。PN結(jié)具有電容效應(yīng)，它由勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩部分組成

PN結(jié)的電容特性

勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。圖01.09勢(shì)壘電容示意圖擴(kuò)散電容：正向偏置的PN結(jié)，由于多子擴(kuò)散，會(huì)形成一種電容效應(yīng)

PN結(jié)的電容特性圖01.09勢(shì)壘電容示意圖PN結(jié)正偏，多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線，相當(dāng)于電容的充放電過程由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，亦然

PN結(jié)反向偏置時(shí)，少子數(shù)量很少，電容效應(yīng)很少

勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容都是非線性電容,都隨外加電壓的變化而變化。

PN結(jié)上的總電容Cj為兩者之和，即Cj=勢(shì)壘電容+擴(kuò)散電容正偏時(shí)，Cj≈?jǐn)U散電容，其值通常為幾十至幾百pF反偏時(shí)，Cj≈勢(shì)壘電容,其值通常為幾至幾十pF因?yàn)镃j并不大，所以在高頻工作時(shí)，才考慮它們的影響。半導(dǎo)體二極管

把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個(gè)電極，即可構(gòu)成一個(gè)二極管。二極管是電子技術(shù)中最基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管和整流管等。硅高頻檢波管開關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管電子工程實(shí)際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實(shí)物圖。1.二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，適用于高頻檢波、脈沖電路及計(jì)算機(jī)中的開關(guān)元件。外殼觸絲N型鍺片正極引線負(fù)極引線N型鍺面接觸型：結(jié)面積大，適用于低頻整流器件。負(fù)極引線底座金銻合金PN結(jié)鋁合金小球正極引線普通二極管圖符號(hào)穩(wěn)壓二極管圖符號(hào)發(fā)光二極管圖符號(hào)DDZD使用二極管時(shí)，必須注意極性不能接反，否則電路非但不能正常工作，還有毀壞管子和其他元件的可能。二極管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(A)4020二極管具有“單向?qū)щ娦浴倍O管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個(gè)區(qū)：2外加正向電壓超過死區(qū)電壓時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)大大削弱，正向電流迅速增長，二極管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū)。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)1當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱之為死區(qū)。4外加反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時(shí)，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進(jìn)入反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)3反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(A)4020死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，電壓再繼續(xù)增加時(shí)，電流迅速增大，而二極管端電壓卻幾乎不變，此時(shí)二極管端電壓稱為正向?qū)妷?。硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管約為0.3V。在二極管兩端加反向電壓時(shí)，將有很小的、由少子漂移運(yùn)動(dòng)形成的反向電流。反向電流有兩個(gè)特點(diǎn)：一是它隨溫度的上升增長很快，二是在反向電壓不超過某一范圍時(shí)，反向電流的大小基本恒定。反向飽和電流。二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IDM：指二極管長期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定。（2）最高反向工作電壓URM：指二極管長期安全運(yùn)行時(shí)所能承受的最大反向電壓值。一般取擊穿電壓的一半。（3）反向電流IR：指二極管未擊穿時(shí)的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流隨溫度的變化而變化較大。（4）最大工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過該值，則二極管的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。二極管的應(yīng)用---整流作用

將交流電變成單方向脈動(dòng)直流電的過程稱為整流。利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。二極管半波整流電路二極管全波整流電路B220V~RLDIN4001B220V~RLD1D2二極管橋式整流電路D4B220V~RLD1D2D3二極管承受電壓折半二極管的應(yīng)用--限幅+－DuS10KΩ

IN4148+－u0iD圖示為一限幅電路。電源uS是一個(gè)周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。分析uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓ui=－5V時(shí)，二極管反偏截止，此時(shí)電路可視為開路，輸出電壓u0=0V；當(dāng)輸入電壓ui=+5V時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0≈+5V。顯然輸出電壓u0限幅在0~+5V之間。u0I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)

穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化。D穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其反向擊穿可逆。正向特性與普通二極管相似反向ΔIZΔUZ二極管的應(yīng)用---穩(wěn)壓二極管實(shí)物圖圖符號(hào)