part 1 半導(dǎo)體二極管 -s (2)課件

考試70％平時30％平時成績＝到課＋課堂表現(xiàn)＋作業(yè)到課：點名缺課（事前請假）假條遲到課堂表現(xiàn)：回答問題＋紀律作業(yè)：按時效果半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性雜質(zhì)半導(dǎo)體PN結(jié)及其單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體概念依照導(dǎo)電性能，可以把媒質(zhì)分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電能力，銅、鋁等金屬材料；絕緣體基本上不能導(dǎo)電，玻璃、陶瓷等材料；半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，硅(SiSilicon)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等材料。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會隨溫度、光照的變化或因摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化。銅導(dǎo)線(左上)、玻璃絕緣體(左下)和硅晶體(上)光敏電阻是一種特殊的電阻，它的電阻和光線的強弱有直接關(guān)系光強度增加，則電阻減??；光強度減小，則電阻增大。通常應(yīng)用于光控電路，如路燈照明、警報器、樓梯燈本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)一、本征半導(dǎo)體指純單晶，理想化的?，F(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（價電子）都是四個。結(jié)構(gòu)：GeSi硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，導(dǎo)電能力很弱。共價鍵：共價鍵就是相鄰兩個原子中的價電子為共用電子對而形成的相互作用力。對大多數(shù)原子來說，外層電子數(shù)為8時它們達到飽和。這時它們的外層電子數(shù)與同周期的惰性氣體元素的外層電子數(shù)相同。

幾個概念本征激發(fā)：當(dāng)本征半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照時，某些共價鍵中的價電子從外界獲得能量而掙脫共價鍵的束縛，離開原子而成為自由電子的同時，在共價鍵中會留下數(shù)量相同的空位子→→→空穴。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)形成:電子(負電荷)-空穴（帶正電）（1）漂移電流：

自由電子在電場作用下定向運動形成的電流稱為漂移電流。（2）空穴電流：空穴在電場作用下定向運動形成的電流稱為空穴電流。電子電流與空穴電流的實際方向是相同的，總和即半導(dǎo)體中的電流。（3）復(fù)合：自由電子在熱運動過程中和空穴相遇，造成電子-空穴對消失，這一過程稱為復(fù)合。

雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻雜后的半導(dǎo)體，包括N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素(磷、砷、銻)等，每個雜質(zhì)原子提供一個自由電子，從而大量增加自由電子數(shù)量。N型半導(dǎo)體中自由電子濃度遠大于空穴濃度，為多數(shù)載流子(多子)，空穴為少數(shù)載流子(少子)。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由電子

雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的記憶及示意表示法：－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。結(jié)論

不論P型或N型半導(dǎo)體，摻雜越多，摻雜濃度越大，多子數(shù)目就越多，多子濃度就越大，少子濃度也小。摻雜后，多子濃度都將遠大于少子濃度，且即使是少量摻雜，載流子都會有幾個數(shù)量級的增加，表明其導(dǎo)電能力顯著增大。幾十萬到幾百萬倍在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度近似等于摻雜濃度，其值與溫度幾乎無關(guān)，而少子濃度也將隨溫度升高而顯著增大。小結(jié)1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴對，故其有一定的導(dǎo)電能力。3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。PN結(jié)的形成在一塊晶體兩邊分別形成P型(硼)和N型半導(dǎo)體(磷)。由于P區(qū)有大量空穴(濃度大)，而N區(qū)的空穴極少(濃度小)，因此空穴要從濃度大的P區(qū)向濃度小的N區(qū)擴散。

N區(qū)電子也類似反向運動PN自由電子空穴擴散擴散空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場多數(shù)載流子將擴散形成耗盡層；耗盡了載流子的交界處留下不可移動的離子形成空間電荷區(qū)；（內(nèi)電場）內(nèi)電場阻礙了多子的繼續(xù)擴散?？臻g電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)的內(nèi)電場對多數(shù)載流子的擴散運動起阻擋作用。但對少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴)則可推動它們越過空間電荷區(qū)，進入對方。少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。漂移漂移漂移幾個重要概念：①擴散運動

——多子因濃度差而引起的運動稱為擴散運動。②漂移運動

——空間電荷區(qū)在內(nèi)部形成電場的作用下，少子會定向運動產(chǎn)生漂移。③空間電荷區(qū)——在PN結(jié)的交界面附近，由于擴散運動使電子與空穴復(fù)合，在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又稱為阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)。④內(nèi)部電場——由空間電荷區(qū)將形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場E，這一內(nèi)部電場的作用是阻擋多子的擴散，加速少子的漂移。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕璓N結(jié)外加電壓情形如果在PN結(jié)上加正向電壓，即外電源的正端接P區(qū)，負端接N區(qū)?？梢娡怆妶雠c內(nèi)電場的方向相反，因此擴散與漂移運動的平衡被破壞。外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷，同時N區(qū)的自由電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷。于是，整個空間電荷區(qū)變窄，電內(nèi)電場被削弱，多數(shù)載流子的擴散運動增強，形成較大的擴散電流(正向電流)。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，即PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很高。又因為少數(shù)載流子是由于價電子獲得熱能(熱激發(fā))掙脫共價鍵的束縛而產(chǎn)生的，環(huán)境溫度愈高，少數(shù)載流子的數(shù)目愈多。所以溫度對反向電流的影響很大。PN結(jié)單向?qū)щ娦约丛赑N結(jié)上加正向電壓時，PN結(jié)電阻很低正向電流較大(PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài))加反向電壓時，PN結(jié)電阻很高，反向電流很小(PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài))。PN結(jié)的反向擊穿問題PN結(jié)反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小基本上可視為零值。但當(dāng)電壓超過某一數(shù)值時，反向電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿。

反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)。擊穿的原因主要有兩種：當(dāng)PN結(jié)上加的反向電壓超過一定限度時，阻擋層較厚，處在強電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格，將價電子碰撞出來，產(chǎn)生電子空穴對新產(chǎn)生的載流子再去碰撞其它價電子產(chǎn)生新的電子空穴對，如此連鎖反應(yīng)，使反向電流越來越大。

(1)雪崩擊穿當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高，阻擋層又很薄時，阻擋層內(nèi)載流子與原子碰撞的機會大為減少，因而發(fā)生雪崩擊穿幾率較小。(2)齊納擊穿當(dāng)PN結(jié)非常薄時，阻擋層兩端加的反向電壓不太大，也會產(chǎn)生一個比較強的內(nèi)電場。這個內(nèi)電場足以把PN結(jié)內(nèi)中性原子的價電子從共價鍵中拉出來，產(chǎn)生出大量的電子—空穴對，使PN結(jié)反向電流劇增?？梢姡R納擊穿發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，一般小于5V。PN結(jié)具有電容效應(yīng)，它由勢壘電容和擴散電容兩部分組成

PN結(jié)的電容特性

勢壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。圖01.09勢壘電容示意圖擴散電容：正向偏置的PN結(jié)，由于多子擴散，會形成一種電容效應(yīng)

PN結(jié)的電容特性圖01.09勢壘電容示意圖PN結(jié)正偏，多子擴散運動加強，由N區(qū)擴散到P區(qū)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，相當(dāng)于電容的充放電過程由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，亦然

PN結(jié)反向偏置時，少子數(shù)量很少，電容效應(yīng)很少

勢壘電容和擴散電容都是非線性電容,都隨外加電壓的變化而變化。

PN結(jié)上的總電容Cj為兩者之和，即Cj=勢壘電容+擴散電容正偏時，Cj≈擴散電容，其值通常為幾十至幾百pF反偏時，Cj≈勢壘電容,其值通常為幾至幾十pF因為Cj并不大，所以在高頻工作時，才考慮它們的影響。半導(dǎo)體二極管

把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個電極，即可構(gòu)成一個二極管。二極管是電子技術(shù)中最基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管和整流管等。硅高頻檢波管開關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管電子工程實際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實物圖。1.二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型點接觸型：結(jié)面積小，適用于高頻檢波、脈沖電路及計算機中的開關(guān)元件。外殼觸絲N型鍺片正極引線負極引線N型鍺面接觸型：結(jié)面積大，適用于低頻整流器件。負極引線底座金銻合金PN結(jié)鋁合金小球正極引線普通二極管圖符號穩(wěn)壓二極管圖符號發(fā)光二極管圖符號DDZD使用二極管時，必須注意極性不能接反，否則電路非但不能正常工作，還有毀壞管子和其他元件的可能。二極管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(A)4020二極管具有“單向?qū)щ娦浴倍O管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個區(qū)：2外加正向電壓超過死區(qū)電壓時，內(nèi)電場大大削弱，正向電流迅速增長，二極管進入正向?qū)▍^(qū)。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)1當(dāng)外加正向電壓很低時，正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱之為死區(qū)。4外加反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進入反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)3反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(A)4020死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時，二極管導(dǎo)通，電壓再繼續(xù)增加時，電流迅速增大，而二極管端電壓卻幾乎不變，此時二極管端電壓稱為正向?qū)妷骸９瓒O管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管約為0.3V。在二極管兩端加反向電壓時，將有很小的、由少子漂移運動形成的反向電流。反向電流有兩個特點：一是它隨溫度的上升增長很快，二是在反向電壓不超過某一范圍時，反向電流的大小基本恒定。反向飽和電流。二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IDM：指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定。（2）最高反向工作電壓URM：指二極管長期安全運行時所能承受的最大反向電壓值。一般取擊穿電壓的一半。（3）反向電流IR：指二極管未擊穿時的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩７聪螂娏麟S溫度的變化而變化較大。（4）最大工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過該值，則二極管的單向?qū)щ娦詫⒆儾睢６O管的應(yīng)用---整流作用

將交流電變成單方向脈動直流電的過程稱為整流。利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。二極管半波整流電路二極管全波整流電路B220V~RLDIN4001B220V~RLD1D2二極管橋式整流電路D4B220V~RLD1D2D3二極管承受電壓折半二極管的應(yīng)用--限幅+－DuS10KΩ

IN4148+－u0iD圖示為一限幅電路。電源uS是一個周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。分析uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓ui=－5V時，二極管反偏截止，此時電路可視為開路，輸出電壓u0=0V；當(dāng)輸入電壓ui=+5V時，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0≈+5V。顯然輸出電壓u0限幅在0~+5V之間。u0I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)

穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化。D穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其反向擊穿可逆。正向特性與普通二極管相似反向ΔIZΔUZ二極管的應(yīng)用---穩(wěn)壓二極管實物圖圖符號