半導(dǎo)體及二極管ppt課件

1、半導(dǎo)體的根本知識(shí)PN結(jié)的構(gòu)成及特性半導(dǎo)體二極管特殊二極管二極管根本電路分析半導(dǎo)體的根本知識(shí)本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用雜質(zhì)半導(dǎo)體 根據(jù)物體導(dǎo)電才干(電阻率)的不同，劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的電阻率為10-3109 cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體的特點(diǎn)：1導(dǎo)電才干不同于導(dǎo)體、絕緣體；2受外界光和熱刺激時(shí)電導(dǎo)率發(fā)生很大變化光敏元件、熱敏元件；3摻進(jìn)微量雜質(zhì)，導(dǎo)電才干顯著添加半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的根本知識(shí)半導(dǎo)體的共價(jià)鍵構(gòu)造 硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子構(gòu)成共價(jià)鍵。 原子按一定規(guī)律整齊陳列，構(gòu)成晶體點(diǎn)陣

2、后，構(gòu)造圖為：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4前往本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體完全純真的、構(gòu)造完好的半導(dǎo)體晶體。載流子可以自在挪動(dòng)的帶電粒子。電導(dǎo)率與資料單位體積中所含載流子數(shù)有關(guān)，載流子濃度越高，電導(dǎo)率越高。前往電子空穴對(duì)電子空穴對(duì) 當(dāng)T=0K和無外界激發(fā)時(shí)，導(dǎo)體中沒有載流子，不導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高或遭到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自在電子本征激發(fā)。 自在電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，這個(gè)空位為空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在電子自在電子 因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自在電子和空穴是同時(shí)

3、成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。本征激發(fā)動(dòng)畫1-1空穴空穴前往雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)的元素(磷、砷、銻 )多余電子，多余電子，成為自在電子成為自在電子+5自在電子自在電子 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。前往+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)的元素硼+3空穴空穴空穴空穴前往N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為電

4、子，少數(shù)載流子是空穴；P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為空穴，少數(shù)載流子是電子。例：純真硅晶體中硅原子數(shù)為1022/cm3數(shù)量級(jí)， 在室溫下，載流子濃度為ni=pi=1010數(shù)量級(jí)， 摻入百萬分之一的雜質(zhì)1/10-6，即雜質(zhì)濃度為1022*1/106=1016數(shù)量級(jí)， 那么摻雜后載流子濃度為1016+1010，約為1016數(shù)量級(jí)，比摻雜前載流子添加106，即一百萬倍。前往10PN結(jié)的構(gòu)成及特性PN結(jié)的構(gòu)成及特性 PN結(jié)的單導(dǎo)游電性 PN結(jié)的構(gòu)成PN結(jié)的構(gòu)成 在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)經(jīng)過分散不同的雜質(zhì),分別構(gòu)成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)阻止多子分散 因濃度差多子的分散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子構(gòu)成

5、空間電荷區(qū)由雜質(zhì)離子構(gòu)成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)構(gòu)成內(nèi)電場(chǎng) 動(dòng)畫+ 五價(jià)的元五價(jià)的元素素- 三價(jià)的元三價(jià)的元素素產(chǎn)生多余電子產(chǎn)生多余電子產(chǎn)生多余空穴產(chǎn)生多余空穴PN結(jié)的單導(dǎo)游電性 (1) PN結(jié)加正向電壓 外加的正向電壓，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，減弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子分散運(yùn)動(dòng)的妨礙減弱，分散電流加大。分散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏。 動(dòng)畫 外加反向電壓,方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一樣，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子分散運(yùn)動(dòng)的妨礙加強(qiáng)，分散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下構(gòu)成的漂移電流大于分散

6、電流，可忽略分散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。 P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。 在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決議的少子濃度是一定的，故少子構(gòu)成的漂移電流是恒定的，根本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。 動(dòng)畫2PN結(jié)加反向電壓結(jié)加反向電壓總之：PN結(jié)正向電阻小，反向電阻大單導(dǎo)游電性。前往半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 二極管 ：一個(gè)PN結(jié)就是一個(gè)二極管。單導(dǎo)游電：二極管正極接電源正極，負(fù)極接電源負(fù)極時(shí)電流可以經(jīng)過。反之電流不能經(jīng)過。符號(hào)： 二極管按構(gòu)造分有點(diǎn)接觸型、面接觸型二大類。(1) 點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(2)

7、面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的構(gòu)造半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線 式中IS 為反向飽和電流，VD 為二極管兩端的電壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q 為電子電荷量，T 為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫相當(dāng)T=300 K，那么有VT=26 mV。) 1(eTSVVDII 第一象限的是正向伏安特性曲線，第三象限的是反向伏安特性曲線。(1) 正向特性 硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.50.8V左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.20.3 V左右。 當(dāng)0VVth時(shí)，正向電流為零，Vth稱死區(qū)電壓或開啟電壓。正向區(qū)分為兩段： 當(dāng)V Vth時(shí)，開場(chǎng)出現(xiàn)正向

8、電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域： 當(dāng)VBRV0時(shí)，反向電流很小，且根本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱反向飽和電流IS 。 當(dāng)VVBR時(shí)，反向電流急劇添加，VBR稱為反向擊穿電壓 。(2) 反向特性 硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。 假設(shè)|VBR|7V時(shí),主要是雪崩擊穿；假設(shè)|VBR|4V時(shí), 那么主要是齊納擊穿。(3) 反向擊穿特性半導(dǎo)體二極管的參數(shù)(1) 最大整流電流IF(2) 反向擊穿電壓VBR(3) 反向電流IR(4) 正向壓降VF在室溫，規(guī)定的反向電壓下，最大反向任務(wù)電壓下

9、的反向電流值。硅二極管的反向電流普通在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。硅二極管約0.60.8V；鍺二極管約0.20.3V。二極管延續(xù)任務(wù)時(shí)，允許流過的最大整流電流的平均值。二極管反向電流急劇添加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。為平安計(jì)，在實(shí)踐任務(wù)時(shí)，最大反向任務(wù)電壓VRM普通只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。二極管根本電路分析二極管根本電路分析正向偏置時(shí)：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時(shí)：電流為0，電阻為。當(dāng)iD1mA時(shí)， vD=0.7V。20015.07.0mAVViVVrDthDD)()(26mAImVivrDQDDDDDthDr

10、iVV1.靜態(tài)分析靜態(tài)分析例例1：求：求VDD=10V時(shí)，二極時(shí)，二極管的管的 電流電流ID、電壓、電壓VD 值。值。解：解：正向偏置時(shí)：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時(shí)：電流為0，電阻為。mAKVVRVVIDDDD93. 0107 . 01020015 . 07 . 0mAVViVVrDthDDmAKKVVrRVVIDthDDD931. 02 . 0105 . 010VKmAVrIVVDDD69. 02 . 0931. 05 . 05 . 0VVD0mAKVRVIDDD11010當(dāng)iD1mA時(shí)， vD=0.7V。VVD7 . 02.限幅電路VRVmvit0Vi VR時(shí)，二極管導(dǎo)通，vo=v

11、i。ViV1時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，Vo=V1。ViV2時(shí)，D2導(dǎo)通、D1截止，Vo=V2。V2ViV1時(shí)，D1、D2均截止，Vo=Vi。特殊二極管特殊二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是運(yùn)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣。 穩(wěn)壓二極管在任務(wù)時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。 電阻起限流作用，維護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，經(jīng)過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)理穩(wěn)壓管的任務(wù)電流，從而起到穩(wěn)壓作用。(2) 動(dòng)態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向任務(wù)電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向任務(wù)電壓。 rZ =VZ /IZ， rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。 (3) 最大耗散功率 PZM 最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向任務(wù)時(shí)PN結(jié)的功率損耗