半導(dǎo)體二極管65840課件

14半導(dǎo)體二極管和三極管14.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)14.2PN結(jié)14.3半導(dǎo)體二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5晶體管14.6光電器件14.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)14.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性14.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體14.1.3半導(dǎo)體的溫度特性根據(jù)物體導(dǎo)電能力(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10-3～109cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。14.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性

(1)本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)(2)電子空穴對(duì)

(3)空穴的移動(dòng)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)。

（2）電子空穴對(duì)當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(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，成為自由電子。自由電子產(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，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)?？梢娨驘峒ぐl(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01.02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。圖01.02本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動(dòng)畫1-1）

(3)空穴的移動(dòng)

在外電場(chǎng)的作用下，

自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流；空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流。它們的運(yùn)動(dòng)方向相反。只不過空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次填充空穴來實(shí)現(xiàn)的。見圖01.03的動(dòng)畫演示。（動(dòng)畫1-2）圖01.03空穴在晶格中的移動(dòng)注意：載流子自由電子空穴半導(dǎo)體不同于金屬的顯著特點(diǎn)

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由本征激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.04所示。圖01.04N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由本征激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.05所示。圖01.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖01.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖14.1.3雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm314.2.1PN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)。P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)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。漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)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。

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

圖01.06PN結(jié)的形成過程（動(dòng)畫1-3）PN結(jié)形成的過程可參閱圖01.06。14.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負(fù)外電場(chǎng)IF內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)P接負(fù)、N接正內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+

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)處于導(dǎo)通狀態(tài)）；

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（PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)）。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?4.3半導(dǎo)體二極管14.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型14.3.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線14.3.3

半導(dǎo)體二極管的參數(shù)14.3.4半導(dǎo)體二極管的溫度特性14.3.5半導(dǎo)體二極管的型號(hào)14.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.11所示。(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。(a)點(diǎn)接觸型圖01.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的表示符號(hào)D14.3.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線

半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖01.12所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。圖01.12二極管的伏安特性曲線硅二極管的導(dǎo)通電壓0.6～0.8V，

鍺二極管的導(dǎo)通電壓0.2～0.3V。

(1)正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

當(dāng)0＜V＜Vth時(shí)，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。

當(dāng)V＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當(dāng)V＞Vth時(shí)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。此時(shí)二極管導(dǎo)通。(2)反向特性當(dāng)V＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：

當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)，反向電流很小，且基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)V≤VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。14.3.3半導(dǎo)體二極管的參數(shù)

半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓VBR、最大反向工作電壓VRM、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結(jié)電容Cj等。幾個(gè)主要的參數(shù)介紹如下：

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR———和最大反向工作電壓VRM二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。

(3)反向電流IR

(4)正向壓降VF(5)動(dòng)態(tài)電阻rd在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(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。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，rd與工作電流的大小有關(guān)，即

rd=VF/IF14.3.4半導(dǎo)體二極管的溫度特性

溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。另外，溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF(VD)大約減小2mV，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。這些可以從圖01.13所示二極管的伏安特性曲線上看出。

圖01.13溫度對(duì)二極管伏安特性曲線的影響圖示14.3.5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：半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片應(yīng)用舉例

主要利用二極管的單向?qū)щ娦??？捎糜谡?、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。

例:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負(fù)電源－12V。VY=+2.7V解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。DA起鉗位作用，DB起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回例：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=0RLuiuouiuott二極管半波整流14.4穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)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)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號(hào)和典型應(yīng)用電路如圖01.14所示。圖見下頁

圖01.14穩(wěn)壓二極管的伏安特性

(a)符號(hào)(b)伏安特性(c)應(yīng)用電路(b)(c)(a)圖示

從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。

(1)穩(wěn)定電壓VZ——(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。

其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

rZ=VZ/IZ

(3)最大耗散功率

PZM

——

穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)PN結(jié)的功率損耗為

PZ=VZIZ，由