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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1.半导体二极管的类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有,点接触型、面接触型和平面型,三大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，,用于检波和变频等高频电路。,(a),点接触型,二极管的结构示意图,1,图 01.11 二极管的结构示意图,(c)平面型,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工,艺中。PN 结面积可大可小，用,于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用,于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,2,2.半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3,半导体二极管图片,4,三. 特殊二极管,1.稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。,特殊二极管包括稳压管、变容二极管、隧道二极管、光电二极管、发光二极管等。,5,稳压二极管的伏安特性,(a)符号 (b) 伏安特性 (c)应用电路,(b),(c),(a),6,从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(A) 稳定电压,V,Z,(B) 动态电阻,r,Z,在规定的稳压管反向工作电流,I,Z,下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。,r,Z,愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,r,Z,=,V,Z,/,I,Z,7,(C) 最大耗散功率,P,ZM,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为,P,Z,=,V,Z,I,Z,，由,P,ZM,和,V,Z,可以决定,I,Zmax,。,(D) 最大稳定工作电流,I,Zmax,和最小稳定工作,电流,I,Zmin,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即,P,Zmax,=,V,Z,I,Zmax,。而,I,zmin,对应,V,Zmin,。 若,I,Z,I,Zmin,则不能稳压。,8,(E)稳定电压温度系数,V,Z,温度的变化将使,V,Z,改变，在稳压管中当,V,Z,7,V时，,V,Z,具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。,当,V,Z,4,V时，,V,Z,具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。,当4,V,V,Z,7,V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,9,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。,电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,10,2.变容二极管,利用PN结电容随外加电压非线性变化的特性，即电抗可变器件。,具有以下三种效应：,（1）通过外加电压改变电抗，用做微波信号的开关或调制。,（2）利用非线性特性产生外加微波信号的谐波。,（3）用两个不同频率的微波信号进行参量放大，或将其中一个信号上变频。,11,*器件特性尽可能接近理想可变电容，即损耗越小越好。,*PN结扩散电容，损耗电导大。,*变容二极管通常采用势垒电容。,*工作区：零偏压至击穿电压。,12,*变容二极管结构和参数,器件工作在反偏区，结电阻大约为10兆欧，单位面积结电容约为几个微微法拉，在高频应用时，结阻抗与结容抗相比可忽略不计。,13,（1）变容二极管的参数,电容变化系数，品质因数，串联电阻和击穿电压。,（A）电容变化系数：电容-电压非线性变化程度,Cmax：零偏压时的结电容,Cmin：击穿电压时的结电容,值越大，表示结电容相对变化越大。,14,（B）品质因数Q：储存能量与消耗能量的比值。变容二极管的效率也由品质因数表示。,Q值的意义是表示变容二极管储存交流能量的本领，其值越大越好。,零偏压时的Q值：,15,*零偏压截止频率Qo=1,（C）串联电阻Rs：源于材料体电阻和接触电阻。,非外延变容二极管以基区电阻为主,外延变容二极管以N区电阻为主,16,（2）变容二极管结构设计,理想材料：,A：至少有一种载流子有较高的迁移率；,B：介电常数小；,C：禁带宽度大；,D：杂质电离能小；,E：热导率大。,17,18,*设计台面型外延二极管时最重要的参数：,A：外延层电阻率,B：外延层厚度,C：扩散深度,外延层或N区杂质浓度由截止频率和击穿电压决定。降低外延层杂质浓度击穿电压提高，但截止频率下降。,零偏压截止频率：,19,扩散后外延层净杂质分布：,P型杂质表面浓度,外延层初始杂质浓度,衬底杂质浓度,20,设PN结空间电荷区中无可动电荷，杂质全部电离，则泊松方程：,解泊松方程可求得结电场与电势，进而求得结电容、击穿电压等参数。,21,22,23,3.隧道二极管,24,4.整流器,整流器是一种对交流电进行整流的,PN,结二极管,(3-77),n介于12之间,正向直流电阻R,F,和动态电阻r,F,(3-78),(3-79),25,反向直流电阻R,R,和动态电阻r,R,(3-80),(3-81),26,5.开关二极管,利用P+N结的单向导电性制成的开关器件。,PN结反向渡越过程分为电流恒定和电流衰减两个阶段。,电流恒定的时间称存储时间；,从电流开始下降到下降到初始值百分之十这段过程为下降过程。,存储时间和下降时间之和称为反向恢复时间：,27,28,PN结正偏时，N区空穴分布：,t=0 到 t=ts：在N区仍存在非平衡载流子，故pn两端的电压为正,。,29,N区在正向稳态时储存的空穴通过两个途径消失：,*反向电路抽出,*电子空穴复合,随着少子的减少而越来越小,30,31,N区正向稳态时存储的电荷：,反向电压抽出的电荷总量：,32,其它存储的电荷需通过复合消失：,通过求解空穴连续性方程：,解得开关二极管储存时间和下降时间：,33,通过解依赖于时间的连续性方程：,34,35,二极管的开关速度主要由反向恢复时间,和下降时间决定。,反向恢复时间由正向电流、反向抽出电流,和N区少子寿命等因素决定。,减少寿命是提高开关频率的重要措施。,36,37,38,6.PIN二极管,PIN二极管是在P、N层之间增加了一本征层。由于I层能承受高的电压，故大功率二极管必须采用此种结构。,PIN二极管还用作微波开关、限幅和可变衰减器等。,1） PIN二极管的能带和电场,39,40,41,42,理想PIN二极管的几点假设：,（1）I区内载流子的迁移率和寿命保持不变；,（2）电子和空穴有相同的寿命和迁移率；,（3）,满足准中性条件，,（4）在PI界面电流完全由空穴承担，在IN界面电流完全由电子承担。,A）,正向偏置状态,43,44,(3-82),(3-83),(3-84),(3-85),45,I区电压降很小，故忽略漂移电流和本征载流子,在稳态下：,(3-86),(3-87),通解为：,(3-88),(3-89),46,由双注入条件,得：A,1,=A,2,(3-90),(3-91),代入(3-83),47,（3-92）,（3-93）,48,（3-96）,（3-95）,（3-94）,49,利用正向电流控制I区电阻的特性，可制,成可控衰减器。,50,B）,反向偏置状态,I区全耗尽时，PIN二极管相当于一平板电容。,51,在高反向电压 下PIN二极管的电场分布近,似为矩形，宽为I区宽度W，高为I区最大电,场 。,52,C）PIN,的开关时间,PIN,二极管实际上是一种特殊的电荷存贮二极管。当它处于正向导通状态时，希望,I,层贮存尽可能多的电子和空穴，以使正向阻抗降得很低。当它处于反向截止状态时则希望把,I,层贮存的载流子尽快地消除掉这就是,PIN,二极管的开关速度问题开关速度由开关时间决定，开关时间主要取决于器件从通到断的关闭时间，即反向恢复时间。要减小反向恢复时间，就要减少正向时的存贮电荷和提高反向时对存贮电荷的扫出速度。但是，减少正向时的存贮电荷势必增加正向电阻，所以主要是靠提高反向时的扫出速度来缩短开关时间。,53,清除I区的存贮电荷有两个途径一是载流子的复合,二是反,向电流的抽取作用设正偏时I区存贮的电荷量为Q(t)，,反偏时Q(t)将随时间而减小单位时间内I区电荷的减少,量等于因复合而减少的电荷量与单位时间内从I区流出的,电荷量之和,即,（3-97）,初始条件为 t=0 Q(0)=Q,0,得：,（3-98）,54,如果规定存贮电荷减小到只剩,5,所用的时间为反向恢复,时间，则有,另一极端情况是忽略复合的作用，则：,（3-98）,初条件为,t,0,时,，,55,（3-99）,全部抽出Q,0,所用的时间为：,（3-100）,在实际器件中，可以用加很大的反向电流脉冲的方法使,I,R,I,F,，则这时开关时间将远小于载流子的寿命。,56,7.大功率快恢复二极管,对功率器件而言，不但有考虑开关特性同时要兼顾功率处理能力既大的正向平均电流，高的反向重复峰值电压。目前发展最为迅速的是快恢复二极管。,改善大功率二极管性能的主要方法：,1）,少子寿命控制技术,l,选用低阻材料：减少基区宽度，降低Q,s,和t,rr,。,l,控制杂质分布：,P,+,与,N,+,之间采用高阻层并使杂质呈突变结分布，可使存储电荷减少近一半。,2）,重金属掺杂：常用的重金属杂质为金、铂和钯,57,金在硅中有二个能级，其中0.54eV处的能级起复合中心的作用。,钯在硅中有三个能级，其中0.32eV处的能级起复合中心的作用。,铂在硅中有六个能级，其中,0.42eV,处的能级起主要的复合中心作用。,3）电子辐照,特点：通过对电子注入剂量的调节精确控制少子的寿命；在器件封装完成后进行。,4）,采用新结构,58,
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