半导体二极管及其基本电路

下一页,返回,上一页,下一页,返回,上一页,电工电子教学部,下一页,返回,上一页,电工电子教学部,下一页,返回,上一页,电工电子教学部,2.1,半导体的基础知识,2.2,半导体二极管,2.3,特殊二极管,第,2,章 半导体二极管及其基本电路,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、,PN,结的形成及特性,2.1,半导体的基础知识,半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,载流子,自由运动的带电粒子。,一、本征半导体,导体,铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体,惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,如,硅（,Si,）、锗（,Ge,），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,半导体的导电特性：,(,可做成温度敏感元件，如热敏电阻,),。,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,(,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）。,光敏性：,当受到光照时,，导电能力明显变化,(,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,),。,热敏性：,当环境温度升高时,，导电能力显著增强,原子,原子核,核外电子,质子,中子,原子结构,1,个电子带,1,个单位负电荷,1,个质子带,1,个单位正电荷,不显电性,硅,(,锗,),的原子结构,简化,模型,价电子,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,Si,Si,Si,Si,价电子,硅、锗的晶体结构,共价键,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,本征半导体,完全,纯净,的、具有,晶体结构,的半导体,。,如硅、锗单晶体。,Si,Si,Si,Si,价电子,自由电子的产生使共价键中留下一个空位，称为,空穴,（带正电）,。,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,本征激发,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为,自由电子,（带负电）,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空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流,：,(1),自由电子作定向运动,电子电流,(2),价电子递补空穴,空穴电流,运载电荷的粒子称为,载流子,。,自由电子,和,空穴,都称为载流子。,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。,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,；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,复合：,两种载流子,电子,(,自由电子,),空穴,两种载流子的运动,自由电子,(,在共价键以外,),的运动,空穴,(,在共价键以内,),的运动,结论,：,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。,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,失去一个电子变为正离子,自由电子是,多数,载流子，,空穴是,少数,载流子。,1.N,型半导体（,N,egative,负）,载流子数,电子数,二、杂质半导体,在常温下即可变为自由电子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）。,2.P,型半导体（,P,ositive,正）,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,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,型半导体都是中性的，对外不显电性。,载流子数,空穴数,1.,在杂质半导体中多子的数量与,（,a.,掺杂浓度、,b.,温度）有关。,2.,在杂质半导体中少子的数量与,（,a.,掺杂浓度、,b.,温度）有关。,3.,当温度升高时，少子的数量,（,a.,减少、,b.,不变、,c.,增多）。,a,b,c,4.,在外加电压的作用下，,P,型半导体中的电流,主要是,，,N,型半导体中的电流主要是 。,（,a.,电子电流、,b.,空穴电流）,b,a,I,I,P,I,N,I,=,I,P,+,I,N,N,型半导体,I,I,N,P,型半导体,I,I,P,3.,杂质半导体的导电作用,三、,PN,结的形成及特性,1.,PN,结,(PN Junction),的形成,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。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,复合使交界面,形成空间电荷区,扩散电流 等于漂移电流,总电流,I,=0,2.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,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,，正向电流较大，正向电阻较小，,PN,结处于导通状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,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,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,PN,结变宽,2,）,PN,结加反向电压,（反向偏置）,外电场,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,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,反向饱和电流,温度的,电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当,T,=300,(,27,C,，常温下,),：,U,T,=26 mV,3.PN,结的伏安特性,热力学温度,其中，,当,PN,结外加正向电压，且,UU,T,时：,O,u,/V,I,/mA,正向特性,反向击穿,3.PN,结的伏安特性,当,PN,结外加,反,向电压，且,|U|U,T,时：,U,（,BR,）,一、半导体二极管的结构和类型,二、二极管的伏安特性,三、二极管的主要参数,2.2,半导体二极管,四、二极管的等效电路,五、稳压二极管,六、其它类型二极管,构成：,PN,结,+,引线,+,管壳,=,二极管,(,Diode,),符号：,分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,一、半导体二极管的结构和类型,阴极,阳极,D,金属触丝,阳极引线,N,型锗片,阴极引线,外壳,(,a,),点接触型,二极管的结构示意图,用于小功率整流和高频电路,用于较低频电路,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,结面积小，结电容小,故结允许的电流小,最高工作频率高,结面积大，结电容大,故结允许的电流大,最高工作频率低,二极管的结构示意图,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,所以可用于不同电路中,结面积可小、可大,小的工作频率高,大的结允许的电流大,二、二极管的伏安特性,特点：非线性,U,I,P,N,+,二极管的电流与其端电压的关系称为,伏安特性,P,N,+,正向特性,反向特性,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,二、二极管的伏安特性,U,on,:,0.5V,(,硅管,),0,.1V(,锗管,),外加电压大于开启电压二极管才能导通。,U:0,.60.8(,硅,),0,.,10.3(,锗,),U,I,P,N,+,i,D,=0,0,U,U,on,U,U,on,i,D,急剧上升,开启电压,U,on,导通压降,U,二、二极管的伏安特性,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。,U,I,P,N,+,开启电压,U,on,导通压降,U,反向饱和电流,Is,反向击穿,电压,U,(BR),反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因,：,齐纳击穿,：,(,Zener,),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。,(,击穿电压,6 V,，正,温度系数,),击穿电压在,6 V,左右时，温度系数趋近零。,温度对二极管特性的影响,60,40,20,0.02,0,0.4,25,50,i,D,/mA,u,D,/V,20,C,90,C,T,升高时，,U,D(on),以,(,2,2.5)mV/,C,下降,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,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。,二极管,的单向导电性,三、二极管的主要参数,1.,最大整流电流,I,F,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.,反向工作峰值电压,U,R,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.,反向峰值电流,I,R,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。,i,D,u,D,U,(BR),I,F,U,R,O,影响工作频率的原因,PN,结的电容效应,结论：,1.,低频,时，因,结电容很小，对,PN,结影响很小。,高频,时，因,结电,容增大，使,结电容分流，,导致,单向,导电性变差。,2.,结面积小时结电容小，工作频率高。,1,）理想二极管,特性,u,D,i,D,符号及,等效模型,S,S,正偏导通，,u,D,=0,；反偏截止，,i,D,=0,U,(BR),=,1.,理想二极管及二极管特性的折线近似,四、二极管的等效电路,u,D,i,D,U,D(on),u,D,=,U,D(on),0.7 V(Si),0.2 V(Ge),2,）二极管的恒压降模型,u,D,i,D,U,D(on),U,I,斜率,1/,r,D,r,D1,U,D(on),3,）二极管的折线近似模型,U,D(on),硅二极管，,R,=2 k,，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出,V,DD,=2 V,和,V,DD,=10 V,时,I,O,和,U,O,的值。,例,1,理想模型,恒压降模型,解,V,DD,=,2 V,理想,I,O,=V,DD,/,R,=2/2,=1(mA),U,O,=,V,DD,=2 V,恒压降,U,O,=,V,DD,U,D(on),=2,0.7=1.3(V),I,O,=U,O,/,R,=1.3/2,=0.65(mA),V,DD,=10 V,理想,I,O,=V,DD,/,R,=10/2,=5(mA),恒压