半导体基础知识二极管改

,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,第 二 讲,第三章教学要求,重点与难点,1,、了解半导体的特性；,2,、了解,PN,结的载流子运动，理解,PN,结的工作原理；,3,、理解二极管的单向导电性，掌握二极管的外特性，在实际应用中正确选择二极管的参数；,4,、了解特殊二极管的外特性及应用。,重点：,PN,结的单向导电性，二极管的外特性,及其应用电路。,难点：,PN,结的工作原理，载流子运动。,本次课教学要求,1,、了解半导体的特性；,2,、了解,PN,结的载流子运动，理解,PN,结的工作原理；,3,、理解二极管的单向导电性；,4,、掌握二极管的外特性，在实际应用中正确选择二极管的参数。,第,3,章 半导体二极管及其基本应用电路,3.1,半导体基础知识,3.2,半导体二极管及其基本应用电路,3.3,稳压二极管及其基本应用电路,3.4,发光二极管及其基本应用举例,3.1,半导体基础知识,根据物体导电能力,(,电阻率,),的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,典型的,半导体材料,元素：,硅,Si,和,锗,Ge,化合物：,砷化镓,GaAs,等。,电阻率：导体,10,6,10,4,.cm,绝缘体,10,10,10,22,.cm,半导体,10,3,10,9,.cm,3.1,半导体基础知识（续）,本征半导体,本征半导体,化学成分纯净的晶格结构完整半导体，它在物理结构上呈单晶体形态。,1,、,半导体的共价键结构,硅晶体的空间排列,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构（平面示意图,P43,图）,1,、,半导体的共价键结构（续）,空穴,共价键中的空位,。,电子空穴对,由热激发而产生的自由电子和空穴对,。,空穴的移动,空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,2,、,本征半导体,本征激发,电,子,空穴对的产生,产生,：价电子获得足够的能量，打破共价键，变成自由电子，产生电子,-,空穴对。,电子空穴对的,产生速率,正比于温度。,两种载流子,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？,使其导电性易于人为控制。,本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。,热力学温度,0K,时不导电。,影响半导体导电能力的因素,1,、温度,热敏特性；,2,、光辐射,光敏特性；,3,、杂质,掺杂特性。,掺杂百万分之一的相关杂质，导电能力提高约一百万倍。,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，不改变其晶体结构，可使半导体的导电性发生显著变化。本征半导体在掺入杂质后称为,杂质半导体,。,N,型半导体,掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P,型半导体,掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,杂质半导体,(P44),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,磷（,P,）,多数,载流子,在,P,型半导体中,空穴是多数载流子，,它主要由掺杂形成,；,自由,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,硼（,B,）,多数,载流子,3.,杂,质对半导体导电性的影响,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大,的影响，一些典型的数据如下,:,T,=300 K,室温下,本征硅的电子和空穴浓度,:,n,=,p,=1.410,10,/cm,3,1,本征硅的原子浓度,:,4.9610,22,/cm,3,3,以上三个浓度基本上依次相差,10,6,/cm,3,。,2,掺杂后,N,型半导体中的自由电子浓度,:,n=,510,16,/cm,3,本节中的有关概念,注意,：少子浓度比多子浓度小几个数量级。,本征半导体、杂质半导体,自由电子、空穴,N,型半导体、,P,型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,3.1.3 PN,结,(P45),1,、,PN,结的形成,图,3.1.5 PN,结的形成,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,平衡,PN,结,温度不变、无光辐射、无外加电压条件下的,PN,结。多子的,扩散,和少子的,漂移,处于,动态平衡，电流为,0,。,2,PN,结的单向导电性,(P46),(1) PN,结加正向电压,当外加电压使,PN,结中,P,区的电位高于,N,区的电位，称为加,正向电压,，简称,正偏,；反之,称为加,反向电压,，,简称,反偏,。,促使多子扩散，抑制少子漂移；,产生大的正向扩散电流；,空间电荷区变窄。,PN,结的伏安特性,PN,结加正向电压时的导电情况,2,PN,结的单向导电性,(,续,),(2) PN,结加反向电压,少子漂移运动占主导，极微弱的的反向饱和电流。,空间电荷区变宽。,PN,结的伏安特性,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，,这个电流也称为,反向饱和电流,。,PN,结加反向电压时的导电情况,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，只有极小的反向漂移电流。,由此可以得出结论：,PN,结具有单向导电性。,其中,I,S,反向饱和电流,U,T,温度的电压当量,且在常温下（,T,=300K,）,3 PN,结,V,-,I,特性表达式,其中，,q,为电子电荷,(1.6,10,-19,C),，,k,为波耳兹曼常数,(1.38,10,-23,J/K),PN,结的伏安特性,电击穿原理,当,PN,结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为,PN,结的,反向击穿。,热击穿,不可逆,齐纳击穿,雪崩击穿,电击穿,可逆,*,4,PN,结的反向击穿,齐钠击穿：电场直接导致,PN,结击穿（,PN,结内共价键被外电场打破，产生大量载流子，电流剧增。）,雪崩击穿：载流子的碰撞电离产生连锁反应导致,PN,结击穿，尽管,PN,结内电场强度还不到击穿电场强度。,势垒电容示意图,*,5,PN,结的电容效应,(P47),(1),势垒电容,C,b,PN,结外加电压变化时，空间电荷区的宽度随电压变化，从而导致空间电荷区积累的电荷随电压变化，这就是,PN,结的,结电容效应,。,扩散电容示意图,*,5,PN,结的电容效应（续）,(2),扩散电容,C,d,PN,结加正向电压时，多子扩散到对边半导体区而成为少数载流子（非平衡载流子），其浓度梯度与电流（即电压）保持对应关系，电流越大浓度梯度越大，积累的电荷也越多。这种非平衡少子积累的电荷随外加电压变化形成的电容效应，被称为,PN,结的,扩散电容效应,。,（,3,）,PN,结电容在实际应用中的几点考虑,1,）正偏置时，扩散电容占主导；反偏置时，势垒电容占主导。,3,）,PN,结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性。,2,）正偏置时，,PN,结电阻小，,PN,结电容影响小；反偏置时，,PN,结电阻大，,PN,结电容影响大。,4,）利用二极管的电容效应制造的变容二极管，广泛用于电子系统。,3.2,半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,五、稳压二极管,半导体二极管图片,二极管的常见结构,将,PN,结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型：,结面积小，结电容小,故结允许的电流小,最高工作频率高,面接触型：,结面积大，结电容大,故结允许的电流大,最高工作频率低,平面型：,结面积可小、可大,小的工作频率高,大的结允许的电流大,3.2.2,二极管的伏安特性,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性,材料,开启电压,导通电压,反向饱和电流,硅,Si,0.5V,0.50.8V,1,A,以下,锗,Ge,0.1V,0.10.3V,几十,A,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的,电压当量,从二极管的伏安特性可以反映出：,1.,单向导电性,2.,伏安特性受温度影响,T,（）在电流不变情况下管压降,u,反向饱和电流,I,S,，,U,(BR),T,（）正向特性左移,，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,3.2.3,二极管的主要参数,最大整流电流,I,F,：二极管长期运行时允许的最大平均电流,最大反向工作电压,U,R,：未击穿时最大瞬时值,反向电流,I,R,：即,I,S,，二极管未击穿时的反相电流。,最高工作频率,f,M,：因,PN,结有电容效应,结电容为,扩散电容（,C,d,）,与,势垒电容（,C,b,）,之和。,扩散路程中电荷的积累与释放,空间电荷区宽窄的变化有电荷的积累与释放,结电容不是常量！若,PN,结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,3.2.4,二极管的等效电路,1.,将伏安特性折线化,理想,二极管,近似分析中最常用,理想开关,导通时,U,D,0,截止时,I,S,0,导通时,U,D,U,on,截止时,I,S,0,导通时,i,与,u,成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,3.2.4,二极管的等效电路（续）,Q,越高，,r,d,越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,u,i,=0,时直流电源作用,小信号作用,静态电流,2.,微变等效电路,模型分析法应用举例,分析,61,页题,3.5,二极管电路分析方法,3.2.5,二极管基本应用电路（,P53,）,1,、整流电路,1),半波整流电路,v,o,(4),输出电压平均值（,U,o,）：,(1),输出电压波形：,u,1,u,2,a,T,b,D,R,L,u,o,i,L,(3),二极管上承受的最高电压：,(2),二极管上的平均电流：,I,D,=,I,L,u,1,u,2,a,T,b,D,1,R,L,u,o,D,2,u,2,i,L,(4),u,o,平均值,U,o,：,U,o,=0.9,U,2,(1),输出电压波形：,(2),二极管上承受的最高电压：,u,o,(3),二极管上的平均电流：,2 ),单相全波整流电路,3.2.5,二极管基本应用电路（续）,2,、下限检测电路,注：在逻辑电路中，本电路为二极管与门电路,分析方法：,优先导通分析法。,3.2.5,二极管基本应用电路（续）,3,、放大器输入保护电路,P55,图,利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。,3.3,稳压二极管及其基本应用电路,(P55),3.3.1,稳压二极管,1,、符号及伏安特性,(a),符号及等效电路,(1),稳定电压,U,Z,(2),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。,r,Z,=,U,Z,/,I,Z,(3),最大耗散功率,P,ZM=,U,Z,*,I,Zmax,(4),最大稳定工作电流,I,Zmax,和最小稳定工作电流,I,Zmin,(5),稳定电压温度系数,2.,稳压二极管主要参数,正常稳压时,U,O,=,U,Z,#,稳压条件是什么？,I,Zmin,I,Z,I,Zmax,#,不加,R,可以吗？,#,上述电路,u,I,为正弦波，且幅值大于,U,Z,，,u,O,的波形是怎样的？,3.3.2,稳压二极管的基本应用电路,(P57),1,、稳压管 并联稳压电路,3.3.2,稳压二极管的基本应用电路,(,续,),2,、稳压管 限幅电路,对称双 限幅电路,不对称双 限幅电路,书上,P58-P59,限幅电路,1,、,光电二极管,I,U,照度增加,3.4,光电子器件,1,）符号及伏安特性,2,）分析要点,a.,无光照，与普通二极管相同；,b.,有光照加反向电压，为光控恒流源；,c.,有光照无外加电压，为光电池， ？ 为正极。,P,2,、发光二极管（,P59),3.4,光电子器件（续）,1,）符号,P59,图,2,）分析要点,当正向电流足够大时，发出一定波长范围的光，发光颜色与材料相关，电特性与一般二极管类似，但正向压降比较大（,2V,左右）。,3,）应用举例,P60,图,3.4.1,电源指示电路,补充,P61,题,3.6,判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。,判断二极管工作状态的方法？,课外作业,PP.6162,(3.1 3.3,做书上）,3.4,（,a)(f) 3.5(b)(d),3.8 3.9,END,