1-半导体的基本知识与PN结

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,电子技术基础,电,子,技,术,基,础,感谢大家前来参加本课程的学习,1、,掌握半导体二极管及直流电源电路的基本概念,目 的,2、,掌握数字电路的基本概念和简单计算,2,1、,半导体的基本知识与,PN,结,主要内容,2、,半导体二极管的基本应用电路,3、,直流稳压电源概述及应用,4、,数制与二十进制,5、,逻辑函数及几种表现形式与相互转换,6、,逻辑函数代数法化简及逻辑表达形式转换,7、,逻辑函数的卡诺图化简法,3,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部原理。讨论器件的目的在于应用。,学 习 方 法,对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。,器件是非线性的、特性有分散性、,RC,的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,4,模拟电子技术,5,第一章 半导体二极管及直流电源电路,1.1,半导体的基本知识与,PN,结,1.2,半导体二极管,1.3,特殊二极管,1.4,半导体二极管的基本应用电路,1.5,直流稳压电源概述,1.6,稳压电电路的质量指标,1.7,集成三端稳压器,本章主要内容,6,第一章 半导体二极管及直流电源电路,学习本章的要求：,一、理解,PN,结的单向导电性,二、掌握普通二极管和稳压管的外特性,三、掌握二极管和稳压管的主要应用,四、熟悉普通二极管和稳压管的工作原理、 主要,参数、使用方法,五、熟悉集成三端稳压器的使用方法,六、了解发光二极管、光电二极管的使用方法,七、了解光电耦合器的使用方法,7,导体：,自然界中很容易导电的物质称为,导体,，金属一般都是导体。,绝缘体：,有的物质几乎不导电，称为,绝缘体,，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为,半导体,，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,1.1,半导体的基本知识与,PN,结,1.1.1,半导体的基本知识,8,半导体,的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。,掺杂性：,往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变,光敏性：,当受到光照时，导电能力明显变化,热敏性：,当环境温度升高时，导电能力显著增强,一、半导体的特性,利用半导体的这一特性,:,可,做成温度敏感元件，如热敏电阻,等,利用半导体的这一特性,:,可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等,利用半导体的这一特性,:,可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等,9,现代电子学中，用得最多的半导体是硅（,+14,）和锗（,+32,），它们的最外层电子（价电子）都是四个。,Ge,Si,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成,晶体,。,10,11,1、,本征半导体,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成,共价键,，共用一对价电子。,硅和锗的晶体结构：,完全纯净的、结构完整的半导体晶体叫,本征半导体,。,11,12,硅和锗的共价键结构,共价键共,用电子对,+4,+4,+4,+4,+4,表示除去价电子后的原子,共价健,价电子,12,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为,束缚电子,，常温下束缚电子很难脱离共价键成为,自由电子,，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,+4,+4,+4,+4,13,在绝对,0,度,（,T,=0K,）,和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即,载流子,），它的导电能力为,0,，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为,自由电子,，同时共价键上留下一个空位，称为,空穴,。,2.,载流子、自由电子和空穴,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,束缚电子,这一现象称为本征激发。,14,Si,Si,Si,Si,价电子,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个新的空穴，其结果相当于空穴的运动,而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,3.,本征半导体的导电机理,15,注意：,(1),本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；,(2),温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。,所以，温度对半导体器件性能影响很大，,这是半导体的一大特点。,自由电子和,空穴都称为载流子。,自由电子和,空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：,1.,自由电子移动产生的电流。,2.,空穴移动产生的电流。,纯净半导体也称为本征半导体,1,本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；,2,半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；,3,本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,16,17,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P,型半导体：,空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N,型半导体：,自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,二、,N,型半导体和,P,型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成,N,型半导体,也称,电子型半导体,。,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在,N,型半导体中,自由,电子是多数载流子,它主要由,杂质原子提供,；,空穴是少数载流子,由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为,正离子,，因此五价杂质原子也称为,施主杂质,。,1,.,N,型半导体,18,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或,N,型半导体。,掺入五价元素,Si,Si,Si,Si,p+,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在,N,型半导体中,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,19,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等就形成了,P,型半导体,，,也称为,空穴型半导体,。,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P,型半导体中,空穴是多数载流子,，,主要由掺杂形成；,电子是少数载流子，,由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为,负离子,。三价杂质 因而也称,为,受主杂质,。,2. P,型半导体,20,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或,P,型半导体。,掺入三价元素,Si,Si,Si,Si,在,P,型半导体中,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,B,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论,N,型或,P,型半导体都是电中性的，对外不显电性。,N,型半导体和,P,型半导体称为杂质半导体。,掺杂后的半导体的导电能力将显著增强，并可人为控制。,21,P,型半导体（,N,a,),+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,(N,d,),杂质,型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子,。近似认为多子与杂质浓度相等。,负离子,正离子,多数载流子,多数载流子,少数载流子,少数载流子,22,上述存在载流子浓度差是半导体区别于导体的一种特有现象，,在导体中，只有一种载流子,(,自由电子,),，如果其间存在着浓度差，则必将产生自低浓度向高浓度方向的电场，依靠电场力就会迅速将高浓度的电子拉向低浓度处，因此在导体中建立不了自由电子的浓度差。,在半导体中，存在着自由电子和空穴两种载流子，当其间出现非平衡载流子，建立浓度差时，仍能处处满足电中性条件，就是说，只要存在非平衡自由电子,n(x)-n,o,，就必然存在非平衡空穴,p(x)-p,o,，并且两者的数值相等，这样就不会产生不同浓度之间的电场，因而也就不会将已建立的浓度差拉平。总之，,由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种特有的电流,。,注意：,23,在同一片半导体基片上，分别制造,P,型半导体和,N,型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了,PN,结。,1.1.2 PN,结,1.,PN,结的形成,24,多子的扩散运动,内电场,少子的漂移运动,浓度差,P,型半导体,N,型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区越宽。,空间电荷区也称,PN,结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,形成空间电荷区,25,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成,N,型半导体和,P,型半导体。此时将在,N,型半导体和,P,型半导体的结合面上形成如下物理过程,:,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的,扩散,和少子的,漂移,达到,动态平衡,。,对于,P,型半导体和,N,型半导体结合面，离子薄层形成的,空间电荷区,称为,PN,结,。,在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称,耗尽层,。,多子的扩散运动,由,杂质离子形成空间电荷区,26,2. PN,结的单向导电性,（,1,）,PN,结加正向电压,（正向偏置）,PN,结变窄,P,接正、,N,接负,外电场,I,F,形成外电场，方向与内电场相反，内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN,结加正向电压时，,PN,结变窄，正向电阻变小，正向电流增大，,PN,结处于导通状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,27,（,2,）,PN,结加反向电压,（反向偏置）,外电场,P,接负、,N,接正,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,28,PN,结变宽,（,2,）,PN,结加反向电压,（反向偏置）,外电场,形成外电场，方向与内电场相同，,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,I,R,P,接负、,N,接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN,结加反向电压时，,PN,结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，,PN,结处于截止状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,29,PN,结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN,结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,由此可以得出结论：,PN,结具有单向导电性。,30,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、正,向电流小。用于检波和变频,等高频电路。,1.2,半导体二极管,1.2.1,基本结构和分类,31,(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,结结面积大、正向电,流大、结电容大， 用于,工频大电流整流电路。,32,阴极引线,阳极引线,二氧化硅保护层,P,型硅,N,型硅,(,c,),平面型,金属触丝,阳极引线,N,型锗片,阴极引线,外壳,(,a,),点接触型,铝合金小球,N,型硅,阳极引线,PN,结,金锑合金,底座,阴极引线,(,b,),面接触型,二极管的结构示意图,阴极,阳极,(,d,),符号,D,33,1.2.2,伏安特性,硅管,0.5V,锗管,0,.1V,反向击穿,电压,U,(BR),导通压降,外加电压大于死区,电压二极管,才能导,通,正向特性,反向特性,特点：非线性 单向导电性,硅,0,.60.8V,锗0,.2,0.3V,U,I,死区电压,P,N,+,P,N,+,反向电流,在一定电压,范围内保持,常数。,它是二仍管外加正向电压时，二极管两端电压,U,D,与通过二极管的电流,I,D,之间的关系曲线,当外加电压较小时，外电场还不足以克服内电场对多数载流子扩散运动的阻力，正向电流为零,当正向电压超过死区电压时，二极管导通，正向电流随外加电压的增加而迅速增大。,在正常使用的电流范围内二极管的正向压降,U,F,几乎维持不变,。,它是二极管外加反向电压时的电压电流关系曲线,当反向电压小于反向击穿电压,U,（BR）,时由少数载流子形成的反向电流很小，与反向电压无关,当反向电压增大到某一值时反向电流急剧增大,，,这种现象叫做二极管的反向击穿。,外加,电压大于,反向击穿电压,二极管,被击穿，失去单向,导电性,。,34,根据半导体的物理原理，可从理论上分析得到,PN,结的伏安特性的表达式，此式通常称为二极管方程，即：,当,U,0,时，且,U,U,T,则电流,I,与,U,基本成指数关系。,当,U,U,T,则电流,I, -,I,S,反向饱和电流,为温度的电压当量，在常温（,300K,）下，,U,T,26mV,。,35,1.,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：,1.2.3,半导体二极管的型号与主要参数,2AP9,用数字代表同类型器件的不同,用字母代表半导体器件的类型型号，,P,代表普通管,2,代表二极管，,3,代表三极管,用字母代表半导体器件的材料，,A,代表,N,型,Ge,B,代表,P,型,Ge,，,C,代表,N,型,Si,，,D,代表,P,型,Si,36,2.,半导体二极管的主要参数,1.,最大整流电流,I,FM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.,最高反向工作电压,U,DRM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压,U,BR,的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3.,最大反向电流,I,RM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，,I,RM,受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,，,锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,37,4.,最高工作频率,f,M,二极管工作在高频时，电流容易从结电容通过，使得管子的单向导电性能变差，甚至可能失去单向导电性。这个参数主要决定于,PN,结的结电容大小结电容愈大，则,f,M,愈低。,正向压降、结电容、最高结温等,5.,其它参,38,部分国产半导体高频二极管参数表,参数,型号,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,（MH,Z,）,极间,电容,（,Pf）,最大整,流电流,（mA）,2AP1,20,40,2.5,250,150,1,16,2CK7,100,150,5.0,250,300,0.1,20,部分国产半导体整流二极管参数表,参数,型号,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（,A,）,正向压降,（平均值）,（,V,）,最高工作频率,（MH,Z,）,2CZ52A,0.1,25,1000,0.8,3,2CZ54D,0.5,1400,1000,0.8,3,2CZ57F,5,3000,1000,0.8,3,39,二极管,的单向导电性,1.,二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.,二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.,二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,40,1.2.4,二极管,电路,分析方法,一、定性分析：,判断二极管的工作状态,导通,否则，正向管压降,硅,0,.60.7V,二、分析方法：,将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压,U,D,的正负。,若,V,阳,V,阴,或,U,D,为正,(,正向偏置,),，二极管导通,若,V,阳,V,阴,二极管导通,否则，,U,AB,低于,6V,一个管压降，若为锗管为,6.3,，若为硅管为,6.7V,42,1.2.5,二极管电路分析举例,二极管起钳位作用,解：,两个二极管的阴,是,极接在一起,的，,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,U,D2,U,D1,D,1,承受反向电压为,6 V,流过,D,2,的电流为,：,例,2,：,电路如图，,求：,U,AB,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,U,AB,+,V,1,阳,=,6 V,V,1,阴,=,V,1,阴,=,12 V,U,D1,= 6V,V,2,阳,=0 V,U,D2,=12V,D,2,优先导通，,D,1,截止,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,= 0 V,43,D,2,起钳位作用,D,1,起隔离作用,u,i, 8V,，二极管导通，可看作短路,u,o,= 8V,例,3,：,已知：,假设,二极管是理想,二极管,，,试,画出,u,o,波形。,8V,u,i,18V,解：,二极管阴极电位为,8 V,u,i,u,o,参考点,u,i, 8V,，二极管截止，可看作开路,u,o,=,u,i,D,8V,R,u,o,u,i,+,+,8V,44,二极管的用途：,整流,检波,限幅,钳位,开关,元件保护,温度补偿等。,u,o,1.3,特殊二极管,1.,符号,U,Z,I,Z,I,ZM,U,Z,I,Z,2.,伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,_,+,U,I,O,1.3 .1,稳压二极管,曲线越陡，稳压误差越小,电压越稳定。,稳压误差,45,3.,主要参数,(1),稳定电压,U,Z,稳压管正常工作,(,反向击穿,),时管子两端的电压。,(2),电压温度系数,环境温度每变化,1,C,引起,稳压值变化的,百分数,。,(3),动态电阻,(4),稳定电流,I,Z,、最大稳定电流,I,ZM,(5),最大允许耗散功率,P,ZM,=,U,Z,I,ZM,r,Z,愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,46,，,负载电阻,R,L,=2k,。,要求,当输入电压由正常值发生,20%,波动时，负载电压基本不变。,4,、稳压二极管的应用举例,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,例：有一稳压二极管,:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为,I,z,max,。,求：,电阻,R,和输入电压,u,i,的正常值。,方程,1,47,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为,I,z,min,。,方程,2,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,联立方程,1,、,2,，可解得：,48,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。,光敏二极管的反向电流与光照度成正比。,用感光灵敏度来衡量。,典型值为：,0.1,A/Lx,U,O,R,+,-,-10 -8 -6 -4 -2 0,I,p,/,A,-50,200Lx,400LX,光照伏安特性,1.3.2,光电二极管,应用电路图,符号,1,、光电二极管的一般特性,49,2,、光电二极管的主要参数,(1),暗电流：,无光照时的反向饱和电流。一般,1A,。,(2),光电流：,指在额定照度下的反向电流，一般为几十毫安。,(3),灵敏度：,指在给定波长（如,0.9m,）的单位光功率时，光电二极管产生的光电流。一般,0.5A/W,。,(4),峰值波长：,使光电二极管具有最高响应灵敏度（光电流最大）的光波长。一般光电二极管的峰值波长在可见光和红外线范围内。,光电二极管作为光控元件可用于各种物体检测、光电控制、自动报警等方面。当制成大面积的光电二极管时，可当作一种能源而称为光电池。此时它不需要外加电源，能够直接把光能变成电能。,(5),响应时间：,指加定量光照后，光电流达到稳定值的,63%,所需要的时间，一般为,10-7S,。,50,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。,发光二极管符号,发光二极管,七段数字显示器,1.3.3,发光二极管（,LED,）,是一种电变成光的能量转换器件。 它的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为,0.91.1V,，其正向工作电压为,1.52.5V,工作电流为,515mA,。反向击穿电压较低，一般小于,10V,。,电路中常用做指示或显示及光信息传送。,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光。,1,、发光二极管的一般特性,51,2,、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,45,）,（,mcd,）,光功率,（,W,）,红外,900,砷化镓,1.31.5,100500,红,655,磷砷化镓,1.61.8,0.41,12,鲜红,635,磷砷化镓,2.02.2,24,510,黄,583,磷砷化镓,2.02.2,13,38,绿,565,磷化镓,2.22.4,0.51,1.58,52,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。,1.3.4,激光二极管,半导体激光二极管的主要参数：,激光二极管的发光带在与,PN,结平行方向所张开的角度，一般在,6 10,左右。,主要有,670nm,、,690nm,、,780nm,、,810nm,、,860nm,、,980nm,等。,（,1,）工作波长：,即激光管开始产生激光时的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安。,（,2,）阈值电流,Ith,：,即激光管达到额定输出功率时的驱动电流。,（,3,）工作电流,Iop,：,激光二极管的发光带在垂直,PN,结方向张开的角度，一般在,1540,左右。,（,4,）垂直发散角,：,（,5,）水平发散角,：,53,激光二极管的发光带在与,PN,结平行方向所张开的角度，一般在,6 10,左右。,主要有,670nm,、,690nm,、,780nm,、,810nm,、,860nm,、,980nm,等。,（,1,）工作波长：,即激光管开始产生激光时的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安。,（,2,）阈值电流,Ith,：,即激光管达到额定输出功率时的驱动电流。,（,3,）工作电流,Iop,：,激光二极管的发光带在垂直,PN,结方向张开的角度，一般在,1540,左右。,（,4,）垂直发散角,：,（,5,）水平发散角,：,54,