半导体二极管及其应用

第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.1 PN结结 1.2 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管电路的半导体二极管电路的分析方法分析方法半导体二极管的基本应用半导体二极管的基本应用1.5 特殊二极管特殊二极管 习题习题 第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.1 PN结结 一、半导体定义特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等1.1.1 本征半导体1.1.2 杂质半导体第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.1.1 本征(intrinsic)半导体 纯净无掺杂的半导体。纯净无掺杂的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。(1)共价键结构(2)电子空穴对(3)空穴的移动第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 (1）共价键结构空间排列有序的晶体 以 硅原子硅原子(Si)为例：(a)硅晶体的空间排列 (b)共价键结构平面示意图第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 电子空穴对：载流子（Carrier)本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!图01.02 本征激发和复合的过程（2）电子空穴对 本征激发（热激发）T=0 K时电子(-)空穴(+)复合第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 (3)空穴的移动(导电）空穴的运动=相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴来实现的第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.1.2 杂质半导体本征半导体缺点？1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！(1)N型半导体(2)P型半导体(3)杂质对半导体导电性的影响第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 (1）N型半导体（电子型半导体）掺掺 杂杂：特特 点点：多多数载流子子：自由电子（主要由杂质原子提供）少少数载流子子：空穴（由热激发形成）施主杂质正离子少量掺入五价杂质元素（如：磷）第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 (2）P型半导体（空穴型半导体）掺掺 杂杂：少量掺入三价杂质（如硼、镓和铟等）特特 点点：多子多子：空穴（主要由杂质原子提供）少子少子：电子（由热激发形成）受主杂质负离子第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 (3)杂质对半导体 导电性的影响 影响很大。载流子数目剧增 T=300 K室温下,本征硅的 电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后 N 型半导体中的 自由电子浓度:n=51016/cm3第二节典型数据如下:第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.2 PN结结1.2.1 形成1.2.2 实质1.2.4 电容效应1.2.3 单向导电性第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 图01.06 PN结的形成过程 形成两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结两种运动：扩散（浓度差）漂移（电场力）第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 漂移和扩散漂移和扩散1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移 如图（如图（A）所示。）所示。2、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所示）所示。电流电流I。.空穴空穴 。电子电子（A）电场作用下的漂移运动）电场作用下的漂移运动（B）空穴扩散示意）空穴扩散示意第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 PN结形成 P N+-+由于接触面载由于接触面载流子运动形成流子运动形成PN结结示意图示意图内电场-+扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动PN结结变窄变窄P N+-R 外加正向电压示意外加正向电压示意(导电）导电）PN结结变宽变宽P N-+R 外加反向电压示意（截止）外加反向电压示意（截止）正向电流If反向电流IsPN结加正向电压时结加正向电压时电阻很小，电流大电阻很小，电流大。加反向电压时。加反向电压时电阻很大，电流小。电阻很大，电流小。第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 PN结的形成小结：浓度差 多子扩散空间电荷区(杂质离子杂质离子)内电场 促使少子漂移 阻止多子扩散 当多子扩散扩散和少子漂移漂移达到动态平衡动态平衡，形成PN结第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 实质PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻 单向导电性单向导电性 单向导电性单向导电性：PN结正偏时导通（大电流），PN结反偏时截止（小电流）。偏置偏置(bias)(bias)第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 (1)势垒电容CB（Barrier)势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成1.2.4 电容效应 表现为：势垒电容CB（barrier)扩散电容CD(diffusion)第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 图 01.10 扩散电容示意图第三节(2)扩散电容CD(Diffusion)当外加正向电压不同时，当外加正向电压不同时，扩散电流即扩散电流即外电路电流的大小也外电路电流的大小也就不同。所以就不同。所以PN结两结两侧堆积的多子的浓度侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这梯度分布也不同，这就相当电容的充放电就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电散电容均是非线性电容。容。第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.2 半导体二极管结构类型和符号伏安特性1.3.3 主要参数型号命名规则第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.3.1 结构类型和符号二极管=PN结+引线+管壳。类型：点接触型、面接触型和平面型(1)点接触型(a)点接触型 一、结构类型PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 (c)平面型(3)平面型(2)面接触型(b)面接触型二、符号旧符号新符号阳极(Anode)阴极(Cathode)标记D1D2DiodePN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积结面积可大可小可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.3.2 伏安特性IS:反向饱和电流VT=kT/q:温度的电压当量室温（T=300 K）下，VT=26 mV一、二极管方程（定量）)1(eTSVVII理想二极管(PN结）方程：图 理想二极管的伏安特性曲线定性 单向导电性单向导电性第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.3.3 主要参数(1)IF最大整流电流(2)VBR反向击穿电压指二极管反向加电压时，使反向电流突然增大时的电压。不同的二极管有不同的反向击穿电压。一般手册中给出的反向电压是实际的一半。指正常功率下的正向平均电流；根据二极管功率不同，由几mA到几百安培不等(3)IR（IS）反向饱和电流指二极管反向加电压时，在没有击穿前的电流。愈小愈好。一般几纳安到几微安。硅(nA)级；锗(A)级第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 (5)rd 动态电阻 rd=VF/IF 二极管正向特性曲线斜率的倒数(4)极间电容C：正向扩散电容CD：由于PN结正向导电是通过电子和空穴扩散的结果。而扩散必须有载流子的浓度积累，这就产生了扩散电容。反向势垒电容CB：二极管反向PN结形成电荷势垒。相当于二块平行板电容。反向电压愈高电容愈小近似计算公式如下：D;DBDQdQCCdUU第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.3.4 型号命名规则国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 部分国产半导体高频二极管参数表部分国产半导体高频二极管参数表最高反向工作电压（峰值）V反向击穿电压 V正向电流 mA反向电流A最高工作频率MHZ极间电容 Pf最大整流电流mA2AP120402.52501501162ck71001505.02503000.120部分国产半导体整流二极管参数表最大整流 电流 A最高反向工作电压（峰值）V最高工作电压下的反向电流（125度）A正向压降（平均值）V最高工作频率 MHZ2CZ52A 0.12510000.832CZ54D0.5140010000.832CZ57F5300010000.83第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.4 二极管基本电路及其分析方法二极管经常应用于以下场合：（1）整流。（2）限幅。（3）逻辑（二极管逻辑）。可以参考节的内容第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 二极管是一种非线性器件，需应用线性化模型分析法对其应用电路进行分析。第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 二极管正向伏安特性的建模二极管正向伏安特性的建模第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 这个模型如图XX_01所示，其基本思想是当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为。不过这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。该模型提供了合理的近似，因此应用也较广第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 为了较真实地描述二极管V-I特性，在恒压降模型的基础上，作一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。这个电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为。至于rD的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为1mA时，管压降为，于是rD的值可计算如下第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 4.小信号模型 第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 二极管小信号模型如图XX_01所示。如果二极管在它的V-I特性的某一小范围工作，例如在静态工作点Q（即V-I特性上的一个点，此时vD=VD，iD=ID）附近工作，则可把V-I特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。参看图XX_01a，微变电阻rd可直接从V-I特性上求得。通过Q点作一条V-I特性的切线，并形成一直角三角形，从而得到DvD和DiD，则rd=DvD/DiDrd的数值还可从二极管的V-I特性表达式导出。第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 取iD对vD的微分，可得微变电导(当T=300K时)由此可得 第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 模型分析法应用举例模型分析法应用举例例1 设简单二极管基本电路如a所示，R=10kW，图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值：（1）VDD=10V；（2）VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 解：图a的电路中，虚线左边为线性部分，右边为非线性部分。符号“”为参考电位点，或叫“地”，即电路的共同端点。电路中任一点的电位，都是对此共同端而言的，这在第1章中已介绍过。为了简单起见，图a所示的电路常采用图b所示的习惯画法，今后经常用到。现按题意，分别求解如下：第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 （1）VDD=10V 使用理想模型得VD=0V，ID=VDD/R=10V/10kW=1mA 使用恒压降模型得：VD，(2)VDD=1V 使用理想模型得：VD=0V，ID=VDD 使用恒压降模型得：VD，ID=（VDD）使用折线模型得 ID，VD第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 一二极管开关电路如图LT_01所示。当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值。设二极管是理想的。第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1.5 特殊二极管、稳压二极管 应用在反向击穿区（雪崩击穿和齐纳击穿）（一）符号、伏安特性 和典型应用电路(a)(a)符号第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1、利用利用PN结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。I（mA)正向电流IfU（V）正向正向反向击穿电压反向击穿电压UZ正向导通电压正向导通电压UD0击穿击穿电流IRPN结结V-A特性特性 曲线曲线IU+UZ电路符号电路符号第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 (c)应用电路(b)(b)伏安特性第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 n1）、稳定电压UZ：稳压管击穿后电流变化很大。而电压基本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。n2）、动态电阻rzn3）、最大稳定电流 IZM，由最大耗散功率和稳定电压决定。n4）、最大耗散功率 PZM，工作时的功率PZ=IZUZn5）、温度系数；衡量由于温度变化而使稳定电压UZ变化的参数。一般UZ大于6伏的为正温度系数。小于6伏为负温度系数（二）主要参数第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 半导体半导体PN结共价键中的电子在光子的轰击下。很容易脱离共价键而结共价键中的电子在光子的轰击下。很容易脱离共价键而成为自由电子。因此可以用成为自由电子。因此可以用PN结构成光敏二极管。光敏二极管的结构成光敏二极管。光敏二极管的反向电流与光照度成正比。用感光灵敏度来衡量。典型值为：反向电流与光照度成正比。用感光灵敏度来衡量。典型值为：A/LxUOR+-10 -8 -6 -4 -2 0Ip/A-50200Lx400LX光照伏安特性、光电子器件1、光电二极管第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 1、材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于电、材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于电子空穴的复合产生发光能量。是一种电变成光的能量转换器件。电路中子空穴的复合产生发光能量。是一种电变成光的能量转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。常用做指示或显示及光信息传送。单个发光二极管七段显示发光二极管2、发光二极管（LED）第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 2、发光二极管的主要特性、发光二极管的主要特性颜色波长（nm）基本材料正向电压（10mA时）V光强（10mA时，张角时，张角4545）（mcd）光功率（WW）红外900砷化镓1.31.5100500红655磷砷化镓1.61.80.4112鲜红635磷砷化镓2.02.224510黄583磷砷化镓2.02.21338绿565磷化镓2.22.40.511.58第第1 1章章 半导体二极管及其基本应用半导体二极管及其基本应用 发射相干单色光的特殊发光二极管。主要用于小功率光电设备，如光驱、激光打印头等。符号见图B3、激光二极管图B触敏屏