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1、第1章 半导体基础和二极管,2学时,半导体基础和二极管,作业思考 1-3习题1-8、1-9、1-10,重点和难点,重点从使用的角度理解普通二极管、稳压二极管工作原理，掌握其外部特性及主要参数。难点半导体中载流子的运动，以及用载流子运动来说明半导体二极管工作原理。难点不是重点！,1.1半导体的基本知识,本征半导体纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。常用半导体材料为硅（Si）和锗（Ge），它们均为四价元素。,本征半导体结构,在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。,硅晶体中的共价键结构,本征半导体中的两种载流子,温度一定时，空穴浓度和自由电
2、子浓度一定且相等。,自由电子,空穴,本征激发,成对出现,成对消失,外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。,外电场方向,价电子填补空穴,空穴移动方向,电子移动方向,杂质半导体,N型半导体在四价硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。,多余价电子,自由电子,N型半导体结构示意图,在N型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。电中性。,P型半导体在四价硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。,填补空位,空穴,P型半导体结构示意图,在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。电中性。,PN结,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和
3、N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。,P 区,N 区,由于载流子的浓度差，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。这种由于浓度差引起的运动称为扩散运动。,P 区,N 区,随着扩散运动的进行，N区出现正离子区，P区出现负离子区，这个不能移动的电荷区叫空间电荷区。因没有载流子，也叫耗尽层、势垒区、阻挡层。,P 区,N 区,空间电荷区,由空间电荷区产生,方向为N区指向P区的内建电场阻碍了扩散运动。使少子产生漂移运动，即N区的空穴向P区漂移， P区的电子向N区漂移。,P 区,N 区,空间电荷区,内电场方向,当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时，扩散电流等于漂移电流，且方向相反，
4、PN结中电流为零，PN结宽度及电位差Uho为恒定值。在室温条件下，内建电场的电位差：硅：(0.60.8)V 锗： (0.10.3)V,P 区,N 区,PN结,内电场方向,PN结特性,PN结单向导电性PN结在不同极性外加电压作用下，其导电能力有极大差异的特性。正向接法（正偏）：P区接电源正极，N区接电源负极；反向接法（反偏）：N区接电源正极，P区接电源负极。,P 区,N 区,内电场方向,R,外电场方向,外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,空间电荷区变窄,外电场和内电场方向相反，空间电荷区变窄，形成较大的正向电流,P 区,N 区,内电
5、场方向,R,外电场方向,外电场驱使P区的空穴向电源负极移动，远离空间电荷区,N区电子向电源正极移动，离空间电荷区更远,空间电荷区变宽,外电场和内电场方向相同，空间电荷区变宽，只有少数载流子越过PN结形成的很小的反向电流。,PN结的单向导电性,PN结正偏时的正向电流（是扩散电流）数值较大，容易导电；PN结反偏时的反向电流（是漂移电流）数值很小，几乎不导电。,PN结的伏安特性及其表达式,Is为反向饱和电流,温度对反向电流的影响大：,T 少子 IS ,PN加正向电压，且UUT时，,PN加反向电压，且U UT时，,I / mA,U / V,常温时：UT 26mV,PN结的击穿特性,当PN结反向电压超过
6、一定数值UBR后，反向电流急剧增加，该现象称为反向击穿， UBR称为反向击穿电压。,齐纳击穿,雪崩击穿,齐纳击穿在参杂浓度高的情况下，不大的反向电压可以在耗尽层产生很强的电场，直接破坏共价键，形成电子-空穴对，导致电流急剧增加。硅材料一般在4V以下。,雪崩击穿参杂浓度低，当反向电压比较大时，耗尽层中的少子加快漂移速度，撞击共价键，形成电子-空穴对，新的电子和空穴在电场的作用下加速运动，撞出新的价电子。载流子雪崩式倍增，导致电流急剧增加。一般在7V以上。在4 7V之间，两者都有，其温度特性较好。,1.2半导体二极管,二极管的结构和符号将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，由
7、P区引出的电极为阳极，N区引出的电极为阴极。,二极管的伏安特性,二极管和PN结一样具有单向导电性。和PN结相比，二极管具有半导体体电阻和引线电阻，外加电压相同时，二极管的电流比PN结的电流小。因存在表面漏电流，二极管的反向电流比PN结大。,0,I / mA,在近似分析时，通常用PN结的电流方程描述二极管的伏安特性。,正向特性,阈值电压Uth：使二极管开始导通的临界电压。常温时：硅管Uth0.5V 锗管Uth0.2V正向导通，电流不大时导通电压：硅(0.60.8)V (一般取0.7V）锗(0.1 0.3)V (一般取0.2V）,0,I / mA,U / V,正向特性,Uth,反向特性加反向电压时
8、，反向电流很小。（与电压基本无关）击穿特性当二极管承受的反向电压超过击穿电压UBR后，反向电流急剧增加。,0,I / mA,U / V,反向击穿特性,反向特性,Uth,UBR,两种不同材料二极管的比较,温度对二极管的影响,环境温度升高，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。 在室温附近，温度每升高1，正向压降减小22.5mV；温度每升高10 ，反向电流增加约1倍。,20,二极管主要参数,最大整流电流IF：二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。最高反向工作峰值电压UR：二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常为击穿电压U(BR)的一半。反向电流IR：二极管未击穿时的反向电流，值越小，
9、 二 极管的单向导电性越好。最高工作频率fM：上限工作频率。超过此值（由于结电容的作用）二极管的单向导电性将受到影响。,二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。,一、国产半导体器件型号命名方法,第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分,数字表示器件的电极数,拼音字母表示器件的材料和极性,拼音字母表示器件的类别,数字表示序号,拼音表示规格号,2CP10: N型硅材料 小信号 二极管。,半导体二极管的型号及选择,二极管选用原则,要求导通后正向压降小的选锗管；要求反向电流小选硅管；工作电流大时选面接触型；工作频率高时选点接触型；反向击穿电压高时
10、选硅管；要求耐高温时选硅管。,二极管的等效电路,二极管具有非线性的伏安特性，为便于分析，在一定条件下，对其进行线性化处理，建立二极管的“线性模型”。根据二极管的不同工作状态及分析精度的要求，可选择不同的模型。,理想二极管等效模型,模型：,正偏时压降为零；反偏时电流为零。,理想二极管恒压源模型,模型：,只有正偏电压超过导通电压，二极管才导通，其两端电压为常数；否则二极管不导通，电流为零。,Uon是二极管的导通电压,微变信号模型,在直流信号上，再叠加微小变化的交流信号，可以用伏安特性在Q处的切线近似表示实际的这段曲线。 此切线斜率的倒数为二极管在Q处的动态等效电阻。,（动态电阻与直流工作点位置有关
11、）,半导体二极管应用举例,1. 串联限幅电路,二极管与负载电阻串联,ui正半周且数值大于导通电压，管导通,uo=ui-Uon,ui负半周或数值小于导通电压，管截止，uo=0,二极管与负载电阻并联,ui正半周且数值大于导通电压，二极管导通， uo on,ui负半周或数值小于导通电压，二极管截止， uo ui,2. 并联限幅电路,二极管反向并联在输出端,限制了输出信号的正负幅度 uo on,3. 双向限幅电路,1-8,稳压二极管,稳压二极管是一种用硅材料制成的面接触型半导体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。,稳压二极管的伏安特性,稳压管工作在
12、反向击穿区。由于其曲线很陡，稳压特性好。,稳压二极管主要参数,稳定电压UZ ：电流为规定值时稳压管两端的电压值最小稳定电流 Izmin ：稳压正常工作时的最小电流最大稳定电流 Izmax：稳压正常工作时的最大电流最大允许耗散功率PZM ： PZM =UZ Izmax动态电阻 rZ ： 越小稳压特性越好温度系数 ：温度每变化1C，稳定电压UZ的相对变化量,稳压二极管正常工作条件,工作在反向击穿状态工作电流在最小稳定电流和最大稳定电流之间,0,i,UZ,IZ,UZ,Imin,IZmax,u,稳压管应用电路,Uo z,限流电阻R必不可少,1-10,其他类型二极管,发光二极管当外加正向电压使其正向电流足够大时，二极管开始发光。发光二极管也具有单向导电性，它的开启电压比普通二极管大。具有不同种类型（可见光、不可见光、激光等）。可见光发光二极管颜色与材料有关，颜色不同，开启电压不同,一般红色的在1.61.8V之间，绿色的为2V左右。,光电二极管为远红外线接收管。是一种光能与电能进行转换的器件，将接收到的光的变化转换成电流的变化。,本章小结,半导体二极管稳压管,基本要求,重点掌握普通二极管、稳压管外部特性和主要参数普通二极管、稳压管的基本应用,
