半导体二极管及其应用课件

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,*,*,*,半导体二极管及其应用,1,1,半导体的基本知识,1.1 PN结,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为,半导体,，半导体器件中用的最多的是硅和锗。,半导体,的特点：,当受外界热和光的作用时，它的导电能,力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使,它的导电能力明显改变。,2,本征半导体,一、本征半导体的结构特点,Ge,Si,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成,晶体,。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,3,本征半导体,化学成分纯净的半导体。,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到,99.9999999%，常称为“九个9”,。,它在物理结构上呈单晶体形态。,4,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,5,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,+4,6,二、本征半导体的导电机理,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，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,。,1.载流子、自由电子和空穴,这一现象称为,本征激发,，,也称,热激发,。,7,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为,电子空穴对,。,游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为,复合，,如图所示。,本征激发和复合在一定温度下会达到,动态平衡。,本征激发和复合的过程,8,2.,本征半导体的导电机理,+4,+4,+4,+4,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，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。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即,自由电子,和,空穴,。,9,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,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。,10,杂质半导体,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）。,11,一、N,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为,施主原子,。,12,+4,+4,+5,+4,多余,电子,磷原子,N,型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为,多数载流子,（,多子,），空穴称为,少数载流子,（,少子,）。,13,二、,P,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的,半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为,受主原子,。,+4,+4,+3,+4,空穴,硼原子,P,型半导体中空穴是多子，电子是少子,。,14,三、杂质半导体的示意表示法,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,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。,15,1.1.3,PN,结,一、,PN,结的形成,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。,16,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区，,也称耗尽层。,17,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,18,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区,N,型区,P,型区,电位,V,V,0,19,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍,P,中的空穴、,N,区,中的电子（,都是多子,）向对方运动（,扩散运动,）。,3、,P,区中的电子和,N,区中的空穴（,都是少,），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,20,二、,PN,结的单向导电性,PN,结,加上正向电压,、,正向偏置,的意思都是,：,P,区加正、,N,区加负电压。,PN,结,加上反向电压,、,反向偏置,的意思都是：,P,区加负、,N,区加正电压。,21,+,+,+,+,R,E,1、,PN,结正向偏置,内电场,外电场,变薄,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,22,2、,PN,结反向偏置,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,23,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。,24,3 PN结方程,其中,PN,结的伏安特性,I,S,反向饱和电流,V,T,温度的电压当量,且在常温下（,T,=300K）,25,三、,PN结的反向击穿,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,雪崩击穿高反压，碰撞电离,齐纳击穿较低反压，场致激发,电击穿可逆,26,四、PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应（结电容），它由两方面的因素决定。,一是势垒电容,C,B,，,二是扩散电容,C,D,。,27,1 势垒电容,C,B,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下。,28,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,2 扩散电容,C,D,反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形,成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图,如下页所示。,29,扩散电容示意图,当外加正向电压,不同时，扩散电流即,外电路电流的大小也,就不同。所以PN结两,侧堆积的多子的浓度,梯度分布也不同，这,就相当电容的充放电,过程。,势垒电容和扩散电容均是非线性电容。都很小。,正偏时扩散电容为主；反偏时势垒电容为主。,30,2,半导体二极管,PN,结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,引线,外壳线,触丝线,基片,点接触型,PN,结,面接触型,P,N,二极管的电路符号,高频，小电流,低频，大电流,31,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：,32,半导体二极管图片,33,34,2.1,伏安特性,U,I,死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降:硅管,0.60.8V,锗管,0.10.3V。,反向击穿电压,U,BR,35,2.2 二极管的等效电路,1.理想模型,3.折线模型,2.恒压降模型,36,4.小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（,T,=300K）,Q?,37,叠加！,38,2.3,主要参数,1.,最大整流电流,I,OM,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.,反向击穿电压,U,BR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压,U,WRM,一般是,U,BR,的一半。,39,3.,反向电流,I,R,指二极管加反向峰值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，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,40,4.,微变电阻,r,D,i,D,u,D,I,D,U,D,Q,i,D,u,D,r,D,是二极管特性曲线上工作点,Q,附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，,r,D,是对,Q,附近的微小变化区域内的电阻。,41,二极管：,死区电压=0.5V，正向压降,0.7V(硅二极管),理想二极管：,死区电压=0，正向压降=0,R,L,u,i,u,o,u,i,u,o,t,t,二极管的应用举例,二极管半波整流,42,2.4 稳压二极管,U,I,I,Z,I,Zmax,U,Z,I,Z,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,+,-,U,Z,动态电阻：,r,z,越小，稳压性能越好,43,（4）,稳定电流,I,Z,、,最大、最小稳定电流,I,zmax,、,I,zmin,。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）,稳定电压,U,Z,（2）,电压温度系数,U,（,%/,）,稳压值受温度变化影响的的系数。,（3）动态电阻,44,稳压二极管的应用举例,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,稳压管的技术参数:,负载电阻,。,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。,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1,45,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：,46,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。,47,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,I,U,照度增加,48,发光二极管,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，它的电特性与一般二极管类似。,49,