-半导体二极管课件

第一章第一章半导体器件半导体器件1.1半导体的特性半导体的特性1.2半导体二极管半导体二极管1.3双极型三极管双极型三极管(BJT)1.4场效应三极管场效应三极管第一章 半导体器件1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1PN 结及其及其单向向导电性性 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。PNPN结结图图 1.2.1PN 结的形成结的形成第一章 半导体器件一、一、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动2.扩扩散散运运动动形成空间电荷区形成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩扩散散运运动。动。PN 结结，耗耗尽层。尽层。图图 1.2.1PN第一章 半导体器件3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒；内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4.漂移运动漂移运动内内电电场场有有利利于于少少子子运运动动漂漂移。移。少少子子的的运运动动与与多多子子运运动动方方向向相反相反 阻挡层阻挡层图图 1.2.1(b)第一章 半导体器件5.扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD，硅材料约为，硅材料约为(0.6 0.8)V,锗材料约为锗材料约为(0.2 0.3)V。第一章 半导体器件二、二、二、二、PN PN 结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性1.PN PN 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电运动，电路中有较大的正向电流。流。图图 1.2.2PN第一章 半导体器件在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2.PN PN 结结结结外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)反反向向接接法法时时，外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向一一致致，增增强强了了内内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大大于于扩扩散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。第一章 半导体器件空间电荷区空间电荷区图图 1.2.3反相偏置的反相偏置的 PN 结结反反向向电电流流又又称称反反向向饱饱和和电电流流。对对温温度度十十分分敏敏感感，随随着温度升高，着温度升高，IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS第一章 半导体器件综上所述：综上所述：当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流流，PN 结结处处于于 导导通通状状态态；当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小，几几乎乎等等于于零零，PN 结结处处于于截截止止状态状态。可见，可见，PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。第一章 半导体器件1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性将将 PN 结结封封装装在在塑塑料料、玻玻璃璃或或金金属属外外壳壳里里，再再从从 P 区和区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。区分别焊出两根引线作正、负极。二极管的结构：二极管的结构：(a)外形图外形图半导体二极管又称晶体二极管。半导体二极管又称晶体二极管。(b)符号符号图图 1.2.4二极管的外形和符号二极管的外形和符号第一章 半导体器件将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：点接触型：结面积小，结电容小结面积小，结电容小故结允许的电流小故结允许的电流小最高工作频率高最高工作频率高面接触型：面接触型：结面积大，结电容大结面积大，结电容大故结允许的电流大故结允许的电流大最高工作频率低最高工作频率低平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的结允许的电流大大的结允许的电流大第一章 半导体器件半导体二极管的类型：半导体二极管的类型：按按 PN 结结构结结构分：分：有点接触型和面接触型二极管。有点接触型和面接触型二极管。点点接接触触型型管管子子中中不不允允许许通通过过较较大大的的电电流流，因因结结电电容容小，可在高频下工作。小，可在高频下工作。面面接接触触型型二二极极管管 PN 结结的的面面积积大大，允允许许流流过过的的电电流流大，但只能在较低频率下工作。大，但只能在较低频率下工作。按按用用途途划划分分：有有整整流流二二极极管管、检检波波二二极极管管、稳稳压压二二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。第一章 半导体器件二极管的伏安特性二极管的伏安特性在在二二极极管管的的两两端端加加上上电电压压，测测量量流流过过管管子子的的电电流流，I=f(U)之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I/mAU/V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性 50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0图图 1.2.4二极管的伏安特性二极管的伏安特性第一章 半导体器件1.正向特性正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相相应应的的电电压压叫叫死死区区电电压压。范范围围称称死死区区。死死区区电电压压与与材材料料和和温温度度有有关关，硅硅管管约约 0.5 V 左左右右，锗锗管约管约 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.4 0.8I/mAU/V当当正正向向电电压压超超过过死死区区电电压压后后，随随着着电电压压的的升升高高，正正向向电电流流迅迅速速增大。增大。第一章 半导体器件2.反向特性反向特性 0.02 0.0402550I/mAU/V反向特性反向特性当当电电压压超超过过零零点点几几伏伏后后，反反向向电电流流不不随随电电压压增增加加而而增增大，即饱和；大，即饱和；二二极极管管加加反反向向电电压压，反反向电流很小；向电流很小；如如果果反反向向电电压压继继续续升升高高，大大到到一一定定数数值值时时，反反向向电电流会突然增大；流会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象称击穿击穿，对应电压叫，对应电压叫反向击穿电压反向击穿电压。击击穿穿并并不不意意味味管管子子损损坏坏，若若控控制制击击穿穿电电流流，电电压压降降低后，还可恢复正常。低后，还可恢复正常。击穿击穿电压电压U(BR)(1-16)反向击穿电压反向击穿电压反向饱和电流反向饱和电流材料材料开启电压开启电压Uon导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十几十A导通电压导通电压开启电压开启电压(mA)(A)(1-17)T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降 u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR)常温附近常温附近：u22.5mV/，IS一倍一倍/10 温温度度对对伏伏安安特特性性的的影影响响第一章 半导体器件3.伏安特性表达式伏安特性表达式(二极管方程二极管方程)IS：反向饱和电流：反向饱和电流UT：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温(300 K)下，下，UT 26 mV二二极极管管加加反反向向电电压压，即即 U UT，则则 I IS。二极管加正向电压，即二极管加正向电压，即 U 0，且，且 U UT，则，则，可得，可得 ，说明电流，说明电流 I 与电压与电压 U 基本上成指数关系。基本上成指数关系。第一章 半导体器件结论：结论：二二极极管管具具有有单单向向导导电电性性。加加正正向向电电压压时时导导通通，呈呈现现很很小小的的正正向向电电阻阻，如如同同开开关关闭闭合合；加加反反向向电电压压时时截截止止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从从二二极极管管伏伏安安特特性性曲曲线线可可以以看看出出，二二极极管管的的电电压压与与电电流流变变化化不不呈呈线线性性关关系系，其其内内阻阻不不是是常常数数，所所以以二二极极管管属于非线性器件。属于非线性器件。第一章 半导体器件*二极管的等效模型电路二极管的等效模型电路1.理想模型理想模型正偏时：正偏时：uD=0,RD=0;反偏时：反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电相当于一理想电子开关。子开关。HomeNextBack图图1.2.10 二极管的理想等效模型二极管的理想等效模型第一章 半导体器件HomeNext2.恒压降模型恒压降模型Back 正偏时：正偏时：uD=Uon,RD=0;反偏时：反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电相当于一理想电子开关和恒压源子开关和恒压源的串联。的串联。图图1.2.11 二极管的恒压降等效模型二极管的恒压降等效模型第一章 半导体器件HomeNext3.折线型模型折线型模型Back 正偏时：正偏时：uD=iDrD+UTH;反偏时：反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电子相当于一理想电子开关、恒压源和电阻开关、恒压源和电阻的串联。的串联。图图1.2.12 二极管的折线型等效模型二极管的折线型等效模型第一章 半导体器件HomeNext4.4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个正向特性可以等效成一个微变电阻。微变电阻。Back即即根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导则则常温下常温下（T=300K）图图1.2.13 二极管的小信号等效模型二极管的小信号等效模型第一章 半导体器件HomeNext*二极管基本电路及模型分析法二极管基本电路及模型分析法1.二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析BackID+VD-R 10K+VDD20VID+VD-R 10K+VDD20VID+VD-R 10K+VDD20V+Von(a)原电路原电路(b)理想模型电路理想模型电路(c)恒压降模型电路恒压降模型电路图图1.2.14 例例1.2.1的电路图的电路图解：解：（1）理想模型，）理想模型，VD=0，则则（2）恒压降模型）恒压降模型VD=0.7V，则则例例1.2.1 求图求图1.2.14（a）所示电路的硅二极管电流）所示电路的硅二极管电流ID和电压和电压VD。第一章 半导体器件HomeNextBack2.二极管开关电路二极管开关电路 例例1.2.2 如图如图1.2.15所示电路。所示电路。试求试求VI1、VI2为为0和和+5V时时V0的值的值。R 10K V0Vcc+5V图图1.2.15 例例1.2.2 电路图电路图VI1VI2D1D2000+5V0 0 0 +5V +5V 0 +5V +5VV0VI1 VI2 第一章 半导体器件1.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。二极管长期运行时，允许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 UR工工作作时时允允许许加加在在二二极极管管两两端端的的反反向向电电压压值值。通通常常将将击穿电压击穿电压 UBR 的一半定义为的一半定义为 UR。3.反向电流反向电流 IR通常希望通常希望 IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4.最高工作频率最高工作频率 fMfM 值值主主要要 决决定定于于 PN 结结结结电电容容的的大大小小。结结电电容容愈愈大大，二极管允许的最高工作频率愈低。二极管允许的最高工作频率愈低。第一章 半导体器件*1.2.4二极管的二极管的电容效容效应当二极管上的电压发生变化时，当二极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1.势垒电容势垒电容是由是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。(a)PN 结加正向电压结加正向电压（b)PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+UV第一章 半导体器件空空间间电电荷荷区区的的正正负负离离子子数数目目发发生生变变化化，如如同同电电容容的的放电和充电过程。放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示：由由于于 PN 结结 宽宽度度 l 随随外外加加电电压压 U 而而变变化化，因因此此势势垒垒电电容容 Cb不不是是一一个个常常数数。其其 Cb=f(U)曲线如图示。曲线如图示。：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数；S：结面积；：结面积；l：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。OUCb图图 1.2.8第一章 半导体器件2.扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在在某某个个正正向向电电压压下下，P 区区中中的的电电子子浓浓度度 np(或或 N 区区的的空穴浓度空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所示。所示。x=0 处处为为 P 与与 N 区的交界处区的交界处当当电电压压加加大大，np(或或 pn)会会升升高高，如如曲线曲线 2 所示所示(反之浓度会降低反之浓度会降低)。OxnPQ12 Q当当加加反反向向电电压压时时，扩扩散散运运动动被被削削弱弱，扩散电容的作用可忽略。扩散电容的作用可忽略。Q正正向向电电压压时时，变变化化载载流流子子积积累累电电荷荷量量发发生生变变化化，相相当当于于电电容容器器充充电电和和放放电电的过程的过程 扩散电容效应。扩散电容效应。图图 1.2.9第一章 半导体器件综上所述：综上所述：PN 结结总总的的结结电电容容 Cj 包包括括势势垒垒电电容容 Cb 和和扩扩散散电电容容 Cd 两两部部分分。一一般般来来说说，当当二二极极管管正正向向偏偏置置时时，扩扩散散电电容容起起主主要要作作用用，即即可可以以认认为为 Cj Cd；当当反反向向偏偏置置时时，势势垒垒电容起主要作用，可以认为电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。Cb 和和 Cd 值值都都很很小小，通通常常为为几几个个皮皮法法 几几十十皮皮法法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。有些结面积大的二极管可达几百皮法。第一章 半导体器件(1-31)齐纳击穿：齐纳击穿：高掺杂高掺杂PN结窄结窄不大的电压不大的电压很强很强的电场的电场破坏共价键破坏共价键电流电流雪崩击穿：雪崩击穿：低掺杂低掺杂PN结宽结宽较大的电压较大的电压价电价电子加速子加速把价电子撞击出共价键把价电子撞击出共价键倍增效应倍增效应电流电流 通常，通常，U(BR)7V 为雪崩击穿；为雪崩击穿；U(BR)5V：Uo=5VUi Vb故：故：Da优先导通优先导通 Db截止截止若：若：Da导通压降为导通压降为0.3V则：则：Vy=2.7V解：(1-34)tttuiuRuoRRLuiuRuo已知：已知：Ui波形波形，二极管为理想元件。，二极管为理想元件。试求：输出试求：输出Uo的波形。的波形。第一章 半导体器件 1.2.5稳压管管一一种种特特殊殊的的面面接接触触型型半半导体硅二极管。导体硅二极管。稳稳压压管管工工作作于于反反向向击击穿穿区区。I/mAU/VO+正向正向 +反向反向 U(b)稳压管符号稳压管符号(a)稳压管伏安特性稳压管伏安特性+I图图 1.2.10稳压管的伏安特性和符号稳压管的伏安特性和符号第一章 半导体器件 稳压管的参数主要有以下几项：稳压管的参数主要有以下几项：1.稳定电压稳定电压 UZ3.动态电阻动态电阻 rZ2.稳定电流稳定电流 IZ稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。正正常常工工作作的的参参考考电电流流。I IZ，只要不超过额定功耗即可。，只要不超过额定功耗即可。rZ 愈愈小小愈愈好好。对对于于同同一一个个稳稳压压管管，工工作作电电流愈大，流愈大，rZ 值愈小。值愈小。IZ=5 mA rZ 16 IZ=20 mA rZ 3 IZ/mA第一章 半导体器件4.电压温度系数电压温度系数 U稳稳压压管管电电流流不不变变时时，环环境境温温度度每每变变化化 1 引引起起稳稳定定电压变化的百分比。电压变化的百分比。(1)UZ 7 V,U 0；UZ 4 V，U 0；(2)UZ 在在 4 7 V 之间，之间，U 值比较小，性能比较稳定。值比较小，性能比较稳定。2CW17：UZ =9 10.5 V，U =0.09%/2CW11：UZ =3.2 4.5 V，U =(0.05 0.03)%/(3)2DW7 系系列列为为温温度度补补偿偿稳稳压压管管，用用于于电电子子设设备备的的精密稳压源中。精密稳压源中。第一章 半导体器件 2DW7 系列稳压管结构系列稳压管结构(a)2DW7 稳压管外形图稳压管外形图(b)内部结构示意图内部结构示意图管管子子内内部部包包括括两两个个温温度度系系数相反的二极管对接数相反的二极管对接在一起。在一起。温温度度变变化化时时，一一个个二二极极管管被被反反向向偏偏置置，温温度度系系数数为为正正值值；而而另另一一个个二二极极管管被被正正向向偏偏置置，温温度度系系数数为为负负值值，二二者者互互相相补补偿偿，使使 1、2 两两端端之之间间的的电电压压随随温温度度的的变变化化很很小小。例例：2DW7C，U =0.005%/图图 1.2.122DW7 稳压管稳压管第一章 半导体器件5.额定功耗额定功耗 PZ额额定定功功率率决决定定于于稳稳压压管管允允许许的的温升。温升。PZ=UZIZPZ 会转化为热能，使稳压管发热。会转化为热能，使稳压管发热。电工手册中给出电工手册中给出 IZM，IZM=PZ/UZ 例例 求求通通过过稳稳压压管管的的电电流流 IZ 等等于于多多少少？R 是是限限流流电电阻，其值是否合适？阻，其值是否合适？IZVDZ+20 VR=1.6 k+UZ=12 V IZM=18 mA例题电路图例题电路图IZ IZM，电阻值合适。，电阻值合适。解解 第一章 半导体器件VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：使用稳压管需要注意的几个问题：图图 1.2.13稳压管电路稳压管电路UOIO+IZIRUI+1.外外加加电电源源的的正正极极接接管管子子的的 N 区区，电电源源的的负负极极接接 P 区区，保证管子工作在反向击穿区；保证管子工作在反向击穿区；RL2.稳稳压压管管应应与与负负载载电电阻阻 RL 并联并联；3.必必须须限限制制流流过过稳稳压压管管的的电电流流 IZ，不不能能超超过过规规定定值值，以以免免因因过热而烧毁管子。过热而烧毁管子。(1-41)输入电压最大时：输入电压最大时：方程方程1uoiZDZRiLiuiRL输入电压最小时：输入电压最小时：方程方程2联立方程解得：联立方程解得：解：解：(1-42)发光二极管发光二极管其它其它类型二极管类型二极管常用于常用于显示电显示电路中路中(1-43)光电二极管光电二极管常用于遥控、报警、常用于遥控、报警、光电传感器中光电传感器中(1-44)变容二极管：变容二极管：用于电子调谐、频率自动控制、调频、调用于电子调谐、频率自动控制、调频、调幅、调相和滤波电路中幅、调相和滤波电路中隧道二极管：隧道二极管：用于振荡、过载保护、脉冲数字电路中用于振荡、过载保护、脉冲数字电路中肖特基二极管：肖特基二极管：用于微波混频、检测、集成化数字电路等用于微波混频、检测、集成化数字电路等场合场合