半导体基础知识及二极管ppt课件

2-1第二章第二章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路半导体半导体PN结的形成及特性结的形成及特性半导体二极管（半导体二极管（diode）二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法特殊二极管特殊二极管第二章 半导体二极管及其基本电路半导体2-22.1半导体导体导体导体导体容易传导电流的称为导体。如金容易传导电流的称为导体。如金属。属。绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体几乎不传导电流的称为绝缘体。几乎不传导电流的称为绝缘体。如橡胶，陶瓷。如橡胶，陶瓷。半导体半导体半导体半导体导电能力介于导体和绝缘体之导电能力介于导体和绝缘体之间，并且受到外界光和热的刺间，并且受到外界光和热的刺激或加入微量的杂质时，导电激或加入微量的杂质时，导电能力将发生显著变化的物质称能力将发生显著变化的物质称为半导体。如硅为半导体。如硅(Si)，锗，锗(Ge)。2.1半导体导体容易传导电流的称为导体。如金属。绝缘体2-3一、本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体 完全纯净的，结构完整的半完全纯净的，结构完整的半导体晶体称为本征半导体。导体晶体称为本征半导体。+4+4+4+4+4共价键共价键共价键共价键束缚电子束缚电子束缚电子束缚电子 图 半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型 一、本征半导体本征半导体 完全纯净的，结构完整的半导体2-4+4+4+4+4+4自由电子自由电子自由电子自由电子空穴空穴空穴空穴 挣脱共价键的束缚自由活动的电子挣脱共价键的束缚自由活动的电子空穴空穴空穴空穴自由电子自由电子自由电子自由电子 束缚电子成为自由电子后，在共束缚电子成为自由电子后，在共价键中所留的空位。价键中所留的空位。+4+4+4+4+4自由电子空穴 挣脱共价键的束缚自2-5二、杂质半导体二、杂质半导体杂质半导体杂质半导体电子半导体电子半导体(Negative)空穴半导体空穴半导体(Positive)加加+5价元素磷价元素磷(P)、砷砷(As)、锑、锑(Sb)加加+3价元素硼价元素硼(B)、铝、铝(Al)、铟铟(In)、钙、钙(Ga)二、杂质半导体杂质半导体电子半导体空穴半导体 加+5价元2-6元素周期表元素周期表2-71、电子半导、电子半导(Negative)N型半导体型半导体+5价元素磷价元素磷(P)、砷、砷(As)、锑、锑(Sb)等在硅晶体中等在硅晶体中给出一个多余电子，故叫施主原子。给出一个多余电子，故叫施主原子。电子数目电子数目 =空穴数空穴数 +正离子数正离子数（主要来自杂质）（主要来自本征半导体）（主要来自杂质）（主要来自本征半导体）（全部来自杂质）（全部来自杂质）多数载流子：电子多数载流子：电子少数载流子：空穴少数载流子：空穴1、电子半导(Negative)N型半导体+5价元素磷2-82、空穴半导、空穴半导(Positive)P 型半导体型半导体+3价元素硼价元素硼(B)、铝、铝(Al )、铟、铟(In)、镓、镓(Ga)等等在硅晶体中接受一个电子，故叫受主原子。在硅晶体中接受一个电子，故叫受主原子。空穴数目空穴数目 =电子数电子数 +负离子数负离子数（主要来自杂质）（主要来自本征半导体）（主要来自杂质）（主要来自本征半导体）（全部来自杂质）（全部来自杂质）多数载流子：空穴多数载流子：空穴少数载流子：电子少数载流子：电子2、空穴半导(Positive)P 型半导体+3价元2-92.2 PN结的形成及特性一、PN结1952年第一个年第一个PN结形成。结形成。PNPN内电场PN结2.2 PN结的形成及特性一、PN结PNPN内电场PN结 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半型半导体和导体和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形型半导体结合面，离子薄层形成的成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型2-11二、PN结的单向导电性PN结的单向导电性是其基本特性结的单向导电性是其基本特性1、外加正向电压、外加正向电压外加电场方向与内电场外加电场方向与内电场方向方向相反相反相反相反PN内电场外电场IF二、PN结的单向导电性PN结的单向导电性是其基本特性1、外加2-122、外加反向电压、外加反向电压外加电场方向与内电场外加电场方向与内电场方向方向相同相同相同相同PN内电场外电场IS IS很小，就可以看作很小，就可以看作PN结在外加反向偏结在外加反向偏置时呈现出很大的阻值。置时呈现出很大的阻值。2、外加反向电压外加电场方向与内电场方向相同PN内电场外电场2-133、PN结的反向击穿结的反向击穿 PN结的外加反向电压增大到一定的数值时，结的外加反向电压增大到一定的数值时，反向电流会突然增加，这个现象称为反向电流会突然增加，这个现象称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。反向击穿反向击穿热击穿热击穿电击穿电击穿可利用的，可逆的可利用的，可逆的有害的，易烧坏有害的，易烧坏PN结结根据产生击穿的原因可分为：根据产生击穿的原因可分为：雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿外加电场作用产生外加电场作用产生碰撞电离碰撞电离碰撞电离碰撞电离，形成倍增效应。形成倍增效应。在杂质浓度特别大的在杂质浓度特别大的PN结中，结中，外加电场直接破坏共价键，产外加电场直接破坏共价键，产生电子空穴对。生电子空穴对。3、PN结的反向击穿 PN结的外加反向电压增大到一定2-144、PN结的结的VI特性特性PN结的结的 V-I 特性如图所示特性如图所示vDiDISVBR反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流反向击穿反向击穿反向击穿反向击穿电压电压电压电压注注:VD为为PN结的外加电压结的外加电压,VT为温度的电压为温度的电压当量当量,约为约为0.026V,IS为反向饱和电流为反向饱和电流。e=2.71828 4、PN结的VI特性PN结的 V-I 特性如图所示vDiD5、PN 结的电容效应结的电容效应1.势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容：结电容不是常量！若结电容不是常量！若PNPN结外加电压频率高结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！到一定程度，则失去单向导电性！清华大学 华成英 5、PN 结的电容效应1.势垒电容 PN结外加电压变2-16问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导2-172.3半导体二极管（半导体二极管（diode）半导体二极管就是一个半导体二极管就是一个PN结。结。一、一、半导体二极管的结构半导体二极管的结构结构不同结构不同点接触型点接触型面接触型面接触型：适用于高频检波和：适用于高频检波和数字电路开关。数字电路开关。：适用于整流：适用于整流掺杂质浓度掺杂质浓度不同不同对称对称PN型型P+N型型PN+型型2.3半导体二极管（diode）半导体二极管就是一个PN结2-18按按按按材材材材料料料料分分分分:有有硅硅二二极极管管,锗锗二二极极管管和和砷砷化化镓镓二二极极管等。管等。按按按按用用用用途途途途分分分分:有有整整流流、稳稳压压、开开关关、发发光光、光光电电、变容、阻尼等二极管。变容、阻尼等二极管。按封装形式分按封装形式分按封装形式分按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。有塑封及金属封等二极管。按按按按功功功功率率率率分分分分:有有大大功功率率、中中功功率率及及小小功功率率等等二二极极管管按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。2-19常见二极管外形常见二极管外形2-20半导体基础知识及二极管ppt课件点接触型：点接触型：结面结面积小，结电容小，积小，结电容小，故结允许的电流故结允许的电流小，最高工作频小，最高工作频率高。率高。面接触型：面接触型：结面结面积大，结电容大，积大，结电容大，故结允许的电流故结允许的电流大，最高工作频大，最高工作频率低。率低。平面型：平面型：结面积可结面积可小、可大，小的工小、可大，小的工作频率高，大的结作频率高，大的结允许的电流大。允许的电流大。点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率2-22二极管外形二极管外形二极管外形2-23二、二极管的二、二极管的VI特性特性 图图 二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线二极管两端加正向电压时二极管两端加正向电压时,就产生就产生正向电流正向电流,当正向电压较小时当正向电压较小时,正向正向电流极小（几乎为零）电流极小（几乎为零）,这一部分这一部分称为死区称为死区,相应的相应的A(A)点的电压称点的电压称为死区电压或门槛电压为死区电压或门槛电压(也称阈值也称阈值电压电压),硅管约为硅管约为0.5V,锗管约为锗管约为0.1V,如图中如图中OA(OA)段。段。当当正正向向电电压压超超过过门门槛槛电电压压时时,正正向向电电流流就就会会急急剧剧地地增增大大,二二极极管管呈呈现现很很小小电电阻阻而而处处于于导导通通状状态态。这这时时硅硅管管的的正正向向导导通通压压降降约约为为0.60.7V,锗锗管管约约为为0.20.3V,如如图图中中AB(AB)段。段。二二极极管管两两端端加加上上反反向向电电压压时时,在在开开始始很很大大范范围围内内,二二极极管管相相当当于于非非常常大大的的电电阻阻,反反向向电电流流很很小小,且且不不随随反反向向电电压压而而变变化化。此此时时的的电电流流称称之之为为反反 向向 饱饱 和和 电电 流流 IR,见见 图图 中中OC（OC）段。）段。二二极极管管反反向向电电压压加加到到一一定定数数值值时时,反反向向电电流流急急剧剧增增大大,这这种种现现象象称称为为反反向向击击穿穿。此此时时对对应应的的电电压压称称为为反反向向击击穿穿电电压压,用用UBR表表示示,如如图中图中CD(CD)段。段。二、二极管的VI特性 图 二2-24UI导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.2V。UIE+-反向漏电流反向漏电流（很小，（很小，A级）级）UI导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。2-25三、二极管的参数三、二极管的参数1、最大整流电流最大整流电流IF：指二极管长期运行时允许：指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。通过的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压最高反向工作电压：VBD=VBR （VBR为反向击穿电压。）为反向击穿电压。）3、极间电容极间电容：在高频时要考虑极间电容。：在高频时要考虑极间电容。势垒电容势垒电容CB在反向偏置时较大在反向偏置时较大 扩散电容扩散电容CD在正向偏置时较大在正向偏置时较大4、最高工作频率最高工作频率：指二极管能保持单向导电：指二极管能保持单向导电性的最大频率。超过了这个频率二极管就失性的最大频率。超过了这个频率二极管就失去了单向导电性。去了单向导电性。三、二极管的参数1、最大整流电流IF：指二极管长期运行时允许小知识小知识:二极管的简易测试二极管的简易测试 将将万万用用表表置置于于R100或或R1k()挡挡（R1挡挡电电流流太太大大,用用R10k()挡电压太高挡电压太高,都易损坏管子）。如图所示都易损坏管子）。如图所示 图图 万用表简易测试二极管示意图万用表简易测试二极管示意图 (a)电阻小；电阻小；(b)电阻大电阻大小知识:二极管的简易测试 图 万用表简易测试二极2-272.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法一、四种建模一、四种建模 1、理想模型、理想模型正向偏置时，管压降为正向偏置时，管压降为0V，反向偏置时，电阻为无穷大。反向偏置时，电阻为无穷大。iDvDiD+vD 2、恒压降模型、恒压降模型正向偏置时，管压降为恒定正向偏置时，管压降为恒定,一般为一般为0.7V，反向偏置时，反向偏置时，电阻为无穷大。电阻为无穷大。iD+vD iDvD适用：电源电压适用：电源电压适用：电源电压适用：电源电压二极管压降二极管压降二极管压降二极管压降适用：适用：适用：适用：i iD D1mA1mA2.4 二极管基本电路及其分析方法一、四种建模 1、2-283、折线模型、折线模型 认为二极管的压降随着认为二极管的压降随着电流的增加而增加。可用电流的增加而增加。可用一个电池和一个电阻近似。一个电池和一个电阻近似。电池压降为二极管的门坎电池压降为二极管的门坎电压。电压。iDvDiD+vD VthrD适用：需考虑到适用：需考虑到适用：需考虑到适用：需考虑到r rD D变化时，输入电压不高变化时，输入电压不高变化时，输入电压不高变化时，输入电压不高3、折线模型iDvDiD+vD 2-294、小信号模型、小信号模型 在静态工作点在静态工作点Q附近附近工作时，可以将二极管工作时，可以将二极管V-I特性看作一条直线，特性看作一条直线，其斜率的倒数就是二极其斜率的倒数就是二极管小信号模型的微变电管小信号模型的微变电阻。阻。vDiDiDvD+vD_iDrdIDQ适用：二极管仅在适用：二极管仅在适用：二极管仅在适用：二极管仅在V-IV-I特性的某一小特性的某一小特性的某一小特性的某一小范围内工作范围内工作范围内工作范围内工作4、小信号模型 在静态工作点Q附近工作时，可以将二极管2-30二、分析方法应用例1电路如图所示，分别用理想模型，恒压降模型和折线模型来求电路的ID和VD。VDD +10V10KR解首先标出参考方向+vD_ID1)理想模型VD=0V,ID=VDD/R=1mA2)恒压降模型VD=0.7V,ID=(VDD-VD)/R=0.93mA3）折线模型二、分析方法应用例1电路如图所示，分别用理想模型，恒压降模型2-31例2 设二极管是理想的，分析图中各二极管的导通或截止情况，并求AO两端的电压UAO。+VD-D15VR=3K12VA+O -解 分析方法：先将要分析的二极管断开，求VDVD=(-15V)-(-12V)=-3VVD2 管压降大的管子优先导通,二极管D1先导通从而导致二极管D2截止VAO=0VVD1=5V0 所以二极管D1导通VD2=5V-3V=2V0 所以二极管D2导通D1D22KA解 分析方法：如果电路中有两个二极管，则先2-33例 设二极管是理想的，分析图中各二极管的导通或截止情况。解 分析方法：先将要分析的二极管断开，求VD_+15V10V18KO25K140K10K2K5K因为VBVA所以D截止.例 设二极管是理想的，分析图中各二极管的导通或截止情2-34图图 二极管半波整流电路二极管半波整流电路 (a)电路；电路；(b)输出波形输出波形 三、晶体二极管应用电路举例三、晶体二极管应用电路举例 1.整流电路整流电路图 二极管半波整流电路三、晶体二极管应用电路2-352.门电路门电路 图图 二极管门电路二极管门电路 2.门电路 图 二极管门电路 3.二极管限幅电路二极管限幅电路图图 二极管限幅电路二极管限幅电路 (a)电路电路;(b)波形波形 3.二极管限幅电路图 二极管限幅电路2-372.5特殊二极管一、稳压二极管一、稳压二极管二极管可分为：普通二极、稳压管、变容管、二极管可分为：普通二极、稳压管、变容管、光电管、发光管、隧道管、微波管、恒流管等。光电管、发光管、隧道管、微波管、恒流管等。稳压管又称为齐纳二极管，它的杂质浓度较稳压管又称为齐纳二极管，它的杂质浓度较大，空间电荷区很窄，容易形成强电场。产大，空间电荷区很窄，容易形成强电场。产生反向击穿时反向电流急增。稳压管的稳压生反向击穿时反向电流急增。稳压管的稳压作用在于，电流增量很大，只引起很小的电作用在于，电流增量很大，只引起很小的电压变化。压变化。2.5特殊二极管一、稳压二极管二极管可分为：普通二极、稳压图中的图中的VZ表示反向击穿电压，表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。稳压即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压作用在于，电流增管的稳压作用在于，电流增量量IZ很大，只引起很小的电很大，只引起很小的电压变化压变化VZ。曲线愈陡，动。曲线愈陡，动态电阻态电阻rz=VZ/IZ愈小，稳愈小，稳压管的稳压性能愈好。一般压管的稳压性能愈好。一般地说，地说，VZ为为8V左右的稳压管左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个的动态电阻较小，低于这个电压的，电压的，rZ随齐纳电压的下随齐纳电压的下降迅速增加，因而低压稳压降迅速增加，因而低压稳压管的稳压性能较差。稳压管管的稳压性能较差。稳压管的稳定电压的稳定电压VZ，低的为，低的为3V，高的可达高的可达300V，它的正向压，它的正向压降约为降约为0.6V。图中的VZ表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压并联式稳压电路并联式稳压电路并联式稳压电路并联式稳压电路稳压电路如图所示。该电路能够稳定输出电压，当稳压电路如图所示。该电路能够稳定输出电压，当V1或或RL变变化时，电路能自动地调整化时，电路能自动地调整IZ的大小，以改变的大小，以改变R上的压降上的压降IRR，达到使输出电压达到使输出电压V0（VZ）基本恒定的目的。例如，当）基本恒定的目的。例如，当VI恒定恒定而而RL减小时，将产生如下的自动调整过程：减小时，将产生如下的自动调整过程：RLIOVOIZIRVO图中图中DZ为稳压管，为稳压管，R为限为限流电阻的作用是使电路有流电阻的作用是使电路有一个合适的工作状态。因一个合适的工作状态。因负载负载RL与稳压管两端并接，与稳压管两端并接，故称为并联式稳压电路。故称为并联式稳压电路。并联式稳压电路RLIOVOIZIRVO2-40二、变容二极管二、变容二极管 二极管结电容的大小除了与本身结构和工二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。为变容二极管。图图a为变容二极管的代表符号，图为变容二极管的代表符号，图b是变容是变容二极管的特性曲线。不同型号的管子，其电容二极管的特性曲线。不同型号的管子，其电容最大值可能是最大值可能是5300pF。最大电容与最小电容之。最大电容与最小电容之比约为比约为5:1。变容二极管在高频技术中应用较多。变容二极管在高频技术中应用较多。二、变容二极管 二极管结电容的大小除了与本身结构2-41 图图 变容二极管变容二极管（a）图形符号）图形符号;（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）三、光电二极管三、光电二极管 光电二极管是光电子系统的电子器件。它可用来作为光的测光电二极管是光电子系统的电子器件。它可用来作为光的测量，可将光信号转换为电信号。量，可将光信号转换为电信号。光电二极管的结构与光电二极管的结构与PN结二极管类似，管壳上的一个玻璃窗结二极管类似，管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。图它的反向电流随光照强度的增加而上升。图a是光电二极管的代是光电二极管的代表符号，图表符号，图b是它的等效电路，而图是它的等效电路，而图c则是它的特性曲线。其主要则是它的特性曲线。其主要特点是，它的反向电流与照度成正比，灵敏度的典型值为特点是，它的反向电流与照度成正比，灵敏度的典型值为0.1mA/lx数量级。数量级。三、光电二极管 光电二极管是光电子系统的电子器2-43四、发光二极管四、发光二极管发光二极管通常用元素周期表中发光二极管通常用元素周期表中、族元素的族元素的砷化镓、磷化镓等化合物制成的。当这种管子通砷化镓、磷化镓等化合物制成的。当这种管子通以电流时将发出光来。其光谱范围是比较窄的。以电流时将发出光来。其光谱范围是比较窄的。发光二极管的代表符号如图所示。发光二极管常发光二极管的代表符号如图所示。发光二极管常用来作为显示器件外，也常作为七段式或矩阵式用来作为显示器件外，也常作为七段式或矩阵式器件，工作电流一般为几个毫安至十几毫安之间。器件，工作电流一般为几个毫安至十几毫安之间。四、发光二极管发光二极管通常用元素周期表中、族元素的砷化2-44半导体基础知识及二极管ppt课件2-45半导体基础知识及二极管ppt课件2-46（a）图形符号）图形符号;（b）光电传输系统）光电传输系统（a）图形符号;（b）光电传输系统