數(shù)電半導(dǎo)體二極管

數(shù)電半導(dǎo)體二極管第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六問：夢幻五環(huán)由什么材料構(gòu)成？問：半導(dǎo)體材料為什么會發(fā)光？答：發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成，屬于半導(dǎo)體材料。答：通電后，半導(dǎo)體中的空穴與電子復(fù)合，釋放能量，從而發(fā)光。第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六3.1半導(dǎo)體的基本知識3.3二極管3.4二極管的基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結(jié)的形成及特性3.二極管及其基本電路第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六一、半導(dǎo)體的特性根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

1.光敏、熱敏特性

2.摻雜特性3.1半導(dǎo)體的基本知識當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。如光敏電阻,熱敏電阻往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六二、本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用1.結(jié)構(gòu)：以Si,Ge為例本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子SiGe第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖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，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。在硅和鍺晶體中，原子按四角形組成晶體點(diǎn)陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。2)共價鍵第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)一個空位，稱這個空位為空穴?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的重要標(biāo)志！3)空穴及其導(dǎo)電作用當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六空穴的運(yùn)動第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六束縛電子從視為空穴從顯然，因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。半導(dǎo)體中出現(xiàn)兩種載流子自由電子空穴電量相等，極性相反因共價鍵中出現(xiàn)空穴，在外加電場的作用下鄰近束縛電子就會填補(bǔ)到這個空位上，而在這個束縛電子原來位置又會出現(xiàn)新的空穴，以后其他束縛電子又可轉(zhuǎn)移到這，這樣就在共價鍵中出現(xiàn)一定的電荷遷移。第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六三、雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的某種元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

N型(電子)半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素(如磷)

P型(空穴)半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素(如硼)第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。P為Positive的字頭?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。因而三價雜質(zhì)也稱為受主雜質(zhì)。1)P型半導(dǎo)體第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而容易形成自由電子。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。N為Negative的字頭。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，故稱為施主雜質(zhì)。2)N型半導(dǎo)體第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六摻入雜質(zhì)對本征半導(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Si的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31即多子?

少子∴半導(dǎo)體導(dǎo)電能力主要由雜質(zhì)決定

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm33)雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六一、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成3.2PN結(jié)和半導(dǎo)體二極管在本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六漂移運(yùn)動：由電場作用引起的載流子的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六PN結(jié)形成物理過程第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六因濃度差促使少子漂移

阻止多子擴(kuò)散

多子的擴(kuò)散=少子的漂移即達(dá)到動態(tài)平衡∵正負(fù)離子不移動而載流子復(fù)合形成無載流子的空間電荷區(qū)，所以內(nèi)電場也稱耗盡層、勢壘層。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)PN結(jié)形成物理過程空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場0方向從NP穩(wěn)定的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)PN結(jié)加正向電壓(正偏)當(dāng)在平衡PN結(jié)外加電壓時，如果正端接P區(qū)，負(fù)端接N區(qū)，稱為加正向（偏置）電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向（偏置）電壓，簡稱反偏。外加的正向電壓E有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與內(nèi)電場ε0相反，削弱了內(nèi)電場,使得多子擴(kuò)散>少子漂移。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，忽略漂移電流的影響，在外電路上形成流入P區(qū)的電流IF，

PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性，也稱PN結(jié)導(dǎo)通?！叨嘧訑?shù)目很大∴IF很大當(dāng)E↑，多子擴(kuò)散加劇→IF↑低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通大的正向擴(kuò)散電流(P->N)PN結(jié)加正向電壓第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流稱為反向飽和電流IS。且∵少子數(shù)目很少∴IS很小(μA級)，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性，也稱PN結(jié)截止。(2)PN結(jié)加反向電壓(反偏)外加的反向電壓E有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場ε0方向一致，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散起阻礙作用→0，而使少子漂移↑→反向電流IR

。PN結(jié)加反向電壓高電阻，PN結(jié)截止很小的反向漂移電流(N->P)第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六PN結(jié)加正向電壓時，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，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦缘?0頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六(3)PN結(jié)V-I特性表達(dá)式PN結(jié)的伏安特性☆VD為正且VD>>VT☆VD為負(fù)且∣VD∣>>VT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）n——發(fā)射系數(shù)，1~2第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六

(4)PN結(jié)的電容效應(yīng)擴(kuò)散電容CD（正偏）擴(kuò)散電容示意圖當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時，擴(kuò)散運(yùn)動使多數(shù)載流子穿過PN結(jié)，在對方區(qū)域PN結(jié)附近有高于正常情況時的電荷累積。存儲電荷量的大小，取決于PN結(jié)上所加正向電壓值的大小。若外加正向電壓有一增量V，則相應(yīng)的空穴（電子）擴(kuò)散運(yùn)動在結(jié)的附近產(chǎn)生一電荷增量Q，二者之比Q/V為擴(kuò)散電容CD。反偏時，擴(kuò)散電容很小，忽略。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六勢壘電容CB（反偏）第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。(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。二、半導(dǎo)體二極管1.分類二極管按結(jié)構(gòu)分有：點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號D第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六Si二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，Ge二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

i)

當(dāng)0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)或門坎電壓當(dāng)V＞0即處于正向特性區(qū)域，正向區(qū)又分為兩段：ii)

當(dāng)V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長，二極管正向?qū)?。Vth2.二極管的伏安特性(1)正向特性Si管正向?qū)▔航导s為0.7V;Ge管正向?qū)▔航导s為0.2V。第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六Si二極管的反向飽和電流IS

<1μΑ，Ge二極管的反向飽和電流IS為幾個μΑ-十幾個μΑ當(dāng)VBR＜V＜0時，反向電流很小，且隨|V|↑→趨向于飽和IS當(dāng)V≤VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。VBR(2)反向特性熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆(3)反向擊穿特性第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六3.二極管的主要參數(shù)1、最大整流電流IF

是指管子長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流。2、反向擊穿電壓VBR

是指管子反向擊穿時的電壓值。手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半。3、反向電流IR

是指管子未擊穿時的反向電流。其值越小，單向?qū)щ娦栽胶谩?、極間電容Cd

是反映二極管中PN結(jié)電容效應(yīng)的參數(shù)。工作在高頻或開關(guān)狀態(tài)時，必須考慮極間電容的影響。5、反向恢復(fù)時間TRR

當(dāng)二極管的外加電壓從正偏變?yōu)榉雌珪r，反向電流從較大變?yōu)檎Ｖ邓枰臅r間。第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六4.補(bǔ)充幾個概念(1)二極管的箝位作用VIVthD導(dǎo)通后VI理想D：即D導(dǎo)通相當(dāng)于短路D加反壓，I很小且趨向于IS→D截止；理想D時，IS→0→相當(dāng)于開路或開關(guān)斷開。即D具有開關(guān)作用。(2)如何判斷D導(dǎo)通或截止將D斷開，測量V陽—V陰>

Vth?是:D導(dǎo)通否:D截止對于理想D，只要V陽>

V陰→導(dǎo)通(且導(dǎo)通后即箝位),否則截止第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六(3)關(guān)于優(yōu)先導(dǎo)通(V陽—V陰)大的二極管優(yōu)先導(dǎo)通且箝位D2:V陽2—V陰2=6v-(-3v)=9vD1:V陽1—V陰1=0v-(-3v)=3vD2優(yōu)先導(dǎo)通且優(yōu)先箝位(短路)→VAO=

6v，D1受反壓截止例:?第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六(1)整流(半波、全波)→利用D的單向?qū)щ娦园氩▽?dǎo)通tVViVOV