半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.ppt

1,半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用,2,1 半導(dǎo)體的基本知識(shí), 1.1 PN結(jié),導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，半導(dǎo)體器件中用的最多的是硅和鍺。,半導(dǎo)體的特點(diǎn)：,當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能 力明顯變化。,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使 它的導(dǎo)電能力明顯改變。,3, 1.1.1 本征半導(dǎo)體,一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。,現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。,4,本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。 它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。,5,硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),共價(jià)鍵共 用電子對(duì),+4表示除去價(jià)電子后的原子,6,共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。,形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,7,二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。,在常溫下，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。,1.載流子、自由電子和空穴,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,8,可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖所示。,本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到 動(dòng)態(tài)平衡。,本征激發(fā)和復(fù)合的過程,9,2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。,本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,10,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。,本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。,11, 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。,P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。,N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。,12,一、N 型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。,13,多余 電子,磷原子,N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？,1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。,摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。,14,二、P 型半導(dǎo)體,空穴,硼原子,P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。,15,三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。,16,1.1.3 PN結(jié),一、 PN 結(jié)的形成,在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。,17,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,18,所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,19,空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),電位V,V0,20,1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。,2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴、N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。,3、P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,注意:,21,二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負(fù)電壓。,PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。,22,1、PN 結(jié)正向偏置,P,N,+,_,內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。,23,2、PN 結(jié)反向偏置,N,P,+,_,內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。,R,E,24,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?25,3 PN結(jié)方程,其中,IS 反向飽和電流,VT 溫度的電壓當(dāng)量,且在常溫下（T=300K）,26,三、 PN結(jié)的反向擊穿,當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。,熱擊穿不可逆,電擊穿可逆,27,四、 PN結(jié)的電容效應(yīng),PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)（結(jié)電容），它由兩方面的因素決定。 一是勢(shì)壘電容CB ， 二是擴(kuò)散電容CD 。,28,1 勢(shì)壘電容CB,勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢(shì)壘電容的示意圖如下。,29,擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。,2 擴(kuò)散電容CD,反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形 成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖 如下頁所示。,30,擴(kuò)散電容示意圖,當(dāng)外加正向電壓 不同時(shí)，擴(kuò)散電流即 外電路電流的大小也 就不同。所以PN結(jié)兩 側(cè)堆積的多子的濃度 梯度分布也不同，這 就相當(dāng)電容的充放電 過程。,勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。都很小。 正偏時(shí)擴(kuò)散電容為主；反偏時(shí)勢(shì)壘電容為主。,31,2 半導(dǎo)體二極管,PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。,點(diǎn)接觸型,面接觸型,高頻，小電流,低頻，大電流,32,半導(dǎo)體二極管的型號(hào),國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：,33,半導(dǎo)體二極管圖片,34,35,2.1 伏安特性,死區(qū)電壓 硅管0.5V,鍺管0.1V。,導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.8V,鍺管0.10.3V。,反向擊穿電壓UBR,36,2.2 二極管的等效電路,1. 理想模型,3. 折線模型,2. 恒壓降模型,37,4. 小信號(hào)模型,二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。,即,根據(jù),得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo),則,常溫下（T=300K）,Q ?,38,疊加 ！,39,2.3 主要參數(shù),1. 最大整流電流 IOM,二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。,2. 反向擊穿電壓UBR,二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。,40,3. 反向電流 IR,指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。,以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。,41,4. 微變電阻 rD,uD,rD 是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q 附近電壓的變化與電流的變化之比：,顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。,42,二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降0.7V(硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降=0,二極管的應(yīng)用舉例 二極管半波整流,43,2.4 穩(wěn)壓二極管,U,IZ,穩(wěn)壓誤差,曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。,-,UZ,44,（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。,（5）最大允許功耗,穩(wěn)壓二極管的參數(shù):,（1）穩(wěn)定電壓 UZ,（3）動(dòng)態(tài)電阻,45,穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例,穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):,負(fù)載電阻 。,要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。,解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。,求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。,方程1,46,令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。,方程2,聯(lián)立方程1、2