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1、1,半导体二极管及其应用,2,1 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。,3, 1.1.1 本征半导体,一、本征半导体的结构特点,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。,4,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
2、。,5,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,6,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。,7,二、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
3、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。,8,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,9,2.本征半导体的导电机理,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。,10,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
4、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。,11, 1.1.2 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）。,12,一、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
5、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。,13,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）。,14,二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,15,三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子
6、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。,16,1.1.3 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。,17,P型半导体,N型半导体,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。,18,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。,19,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,20,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷
7、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:,21,二、 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。,22,1、PN 结正向偏置,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。,23,2、PN 结反向偏置,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,24,PN结
8、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。,25,3 PN结方程,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,26,三、 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,电击穿可逆,27,四、 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CB ， 二是扩散电容CD 。,28,1 势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电
9、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。,29,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CD,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。,30,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
10、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。,31,2 半导体二极管,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,高频，小电流,低频，大电流,32,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：,33,半导体二极管图片,34,35,2.1 伏安特性,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UBR,36,2.2 二极管的等效电路,1. 理想模型,3. 折线模型,2. 恒压降模型,37,4. 小信号模型
11、,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 ?,38,叠加 ！,39,2.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,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UBR,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UWRM一般是UBR的一半。,40,3. 反向电流 IR,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
12、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。,41,4. 微变电阻 rD,uD,rD 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，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,42,二极管：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=0,二极管的应用举例 二极管半波整流,43,2.4 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,44,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流
13、Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,45,稳压二极管的应用举例,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Izmax 。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,46,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,47,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。,48,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,49,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。,
