半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

關(guān)于半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第1頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用了解半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)；理解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)與形成；掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦?；熟悉二極管和穩(wěn)壓管的V-I特性曲線(xiàn)及其主要參數(shù)等。了解特種二極管第2頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.1PN結(jié)

1.1.1PN結(jié)的形成1、半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。電阻率為硅（Si）和鍺（Ge）是兩種常用的半導(dǎo)體材料特點(diǎn)：四價(jià)元素，每個(gè)原子最外層有四個(gè)價(jià)電子GeSi第3頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、本征半導(dǎo)體：化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體，其純度達(dá)到99.9999999%，通常稱(chēng)為“9個(gè)9”，在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：第4頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅和鍺的共價(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)電子后的原子這種結(jié)構(gòu)如何體現(xiàn)半導(dǎo)體的特性呢？導(dǎo)電機(jī)制是什么？第5頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、載流子：可以自由移動(dòng)的帶電離子。

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以?huà)昝撛雍说氖`，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。

自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱(chēng)呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)，也稱(chēng)熱激發(fā)。第6頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第7頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自由電子是載流子?？昭ㄒ彩且环N載流子（Why？）。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。第8頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱(chēng)為復(fù)合?？梢?jiàn)因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。當(dāng)溫度一定時(shí)，激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即“空穴-電子對(duì)”濃度一定。第9頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溫度越高，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)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(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)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。第10頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。第11頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱(chēng)電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？第12頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價(jià)雜質(zhì)原子也被稱(chēng)為施主雜質(zhì)。1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子（多子），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）。第13頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)P型半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導(dǎo)體，也稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。+4+4+3+4空穴硼原子第14頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。第15頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3第16頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－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。第17頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)半導(dǎo)體中有兩種載流子，分別是自由電子和空穴。純凈半導(dǎo)體中的載流子主要取決于溫度（或光照）。摻雜半導(dǎo)體中的載流子可以分為多子（多數(shù)載流子）和少子（少數(shù)載流子）。多子取決于摻雜濃度，少子取決于溫度（或光照）。P型半導(dǎo)體中的多子是空穴，少子是自由電子，N型半導(dǎo)體中的多子是自由電子，少子是空穴。第18頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2PN

的單向?qū)щ娦?/p>

1、PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。第19頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E少子漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱(chēng)耗盡層。第20頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過(guò)程:PN結(jié)形成的物理過(guò)程：

因濃度差

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

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)擴(kuò)散>

漂移否是寬第21頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

最后多子擴(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(chēng)為PN結(jié),在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱(chēng)耗盡層。1、空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴、N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3、P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。第22頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。第23頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第24頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)正偏時(shí)

a、外加電場(chǎng)使得內(nèi)電場(chǎng)被消弱，從而加劇了多子擴(kuò)散；多子向耗盡層的擴(kuò)散使空間電荷層變窄；

b、空間電荷層變窄更有利于多子擴(kuò)散而抑制少子漂移；

c、多子擴(kuò)散電流稱(chēng)為正向電流（PN），此時(shí)稱(chēng)PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)正偏：PN結(jié)導(dǎo)通，電阻很小，正向電流較大；第25頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)反偏時(shí)a、外加電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，從而阻礙多子擴(kuò)散而增強(qiáng)了少子的漂移，使得空間電荷層變寬；b、少子漂移電流（NP），稱(chēng)為反向飽和電流；c、反向飽和電流很小，且外加電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，基本不隨電壓的增加而增加。PN結(jié)反偏：PN結(jié)截止，電阻很大，反向電流很?。坏?6頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的電壓與電流關(guān)系其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）2、PN結(jié)方程正向：反向：近似第27頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2半導(dǎo)體二極管第28頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第29頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在PN結(jié)上加上引線(xiàn)和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類(lèi)。(1)點(diǎn)接觸型二極管(a)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、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)第30頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)平面型二極管

往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號(hào)第31頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2、二極管的伏安特性硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性（1）、正向特性死區(qū)電壓：硅：0.5V

鍺：0.1V正常工作時(shí)的管壓降硅：0.7V

鍺：0.3V

第32頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）、反向特性

反向電流由少子形成，因此反向電流一般很??；小功率硅管：小于1微安；小功率鍺管：幾十微安；（3）、反向擊穿特性

反向擊穿：外加電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，在PN結(jié)中形成強(qiáng)大的電場(chǎng)，強(qiáng)制產(chǎn)生大量的電子和空穴，使反向電流劇增；①齊納擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場(chǎng)，拉出共價(jià)鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。當(dāng)反向電壓小于4V時(shí)，擊穿主要為齊納擊穿。②雪崩擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場(chǎng)，使做漂移的少子運(yùn)動(dòng)速度加大，能量加大，碰撞出共價(jià)鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。一個(gè)當(dāng)電壓大于6V時(shí)，擊穿主要為雪崩擊穿。發(fā)生擊穿是否就證明二極管損壞了呢？？？第33頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、半導(dǎo)體二極管的等效模型恒壓模型UD二極管的導(dǎo)通壓降：硅管0.7V；鍺管0.3V。二極管的V—A特性理想二極管模型：正偏反偏小信號(hào)模型:

在交流小信號(hào)模型下將二極管等效于rD,因此可用于分析二極管電路。第34頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、二極管的主要參數(shù)額定整流電流IF反向擊穿電壓U（BR）最高允許反向工作電壓UR反向電流IR最高工作頻率fM第35頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例1-1

ui=10sinwt(v)E=5vR=1k歐姆忽略二極管的正向壓降和反向電流畫(huà)出uo的波形（1）ui<E時(shí)，二極管反向截止，

uo=ui;（2）ui>E時(shí)，二極管正向?qū)ǎ?/p>

uo=E;第36頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例1-2

判斷二極管的工作狀態(tài)。判斷方法：

正向偏置VA>VB；導(dǎo)通；反向偏置VA<VB；截止；解題方法：

斷開(kāi)二極管2AP1，求VA和VBVA=15×（10/（10+140））=1V；VB=-10×（2/（18+2））+15×（5/（25+5））=1.5V；

VA<VB，所以，二極管2AP1截止；第37頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用

1.3.1在整流電路中的應(yīng)用D1

、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。u2正半周時(shí):uLU２1.工作原理第38頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月u2負(fù)半周時(shí)：D2、D4

導(dǎo)通，D1

、D3截止。UＬu2-+第39頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月uLU２第40頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2在檢波中的應(yīng)用第41頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3限幅電路第42頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4特種二極管

1.4.1硅穩(wěn)壓管IZminIZmax●UZIZΔUZ第43頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、穩(wěn)壓管的參數(shù)（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）

穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動(dòng)態(tài)電阻第44頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、穩(wěn)壓原