第二章++++半導(dǎo)體二極管及其基本電路.ppt

1、第二章半導(dǎo)體二極管和基本電路、半導(dǎo)體基本原理PN結(jié)和特性半導(dǎo)體二極管特性和應(yīng)用調(diào)節(jié)器二極管、2.1半導(dǎo)體基本原理、2.1.1概念根據(jù)物體導(dǎo)電(電阻率)區(qū)分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體：通電的物體。例如：鐵、銅等2。絕緣體：幾乎不導(dǎo)電的物體。例如：橡膠等，3 .半導(dǎo)體，半導(dǎo)體是導(dǎo)電性介于導(dǎo)體，絕緣體之間的物體。在一定條件下可以導(dǎo)電。半導(dǎo)體的電阻率為10-3109厘米。典型的半導(dǎo)體是硅Si、鍺Ge、砷化GaAs等。半導(dǎo)體特征：1)由于外部能源的作用，導(dǎo)電性能發(fā)生了很大變化。光敏元件，熱敏元件屬于這類。2)純半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)后，導(dǎo)電性大大提高。二極管，三極管屬于這種類型。2.1.2本征半導(dǎo)體，1 .本

2、征半導(dǎo)體化學(xué)成分純正的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體器件制造的半導(dǎo)體材料純度為99.99999999%，被稱為“9個9”。物理結(jié)構(gòu)上呈單晶形態(tài)。電子技術(shù)中最常用的是硅和鍺。硅和鍺都是四價元素，他們的外層電子都是四個。簡化的原子結(jié)構(gòu)模型如下圖所示。外部電子被原子核束縛得最少，成為價電子。物質(zhì)的性質(zhì)由價電子決定。2 .本晶半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)，在本晶晶體中，每個原子之間靠得很近，屬于每個原子的四個價電子，同時被相鄰原子吸引，每個形成周圍四個原子的價電子和共價鍵。(威廉莎士比亞，原子，原子，原子，原子，原子，原子)共價鍵中的價電子，把牙齒原子共有的東西束縛在它們身上，形成了在空間中排列的晶體。(約翰f肯尼迪，原子，原

3、子，原子，原子，原子，原子，原子)如下圖所示，共價鍵性質(zhì)，共價鍵上的兩個電子各由一個電子組成，兩個牙齒電子成為束縛電子。束縛電子同時受到兩個原子的約束，沒有足夠的能量，很難脫離軌道。因此，在絕對溫度T=0K(-273C)下，共價鍵中的電子被綁定在一起，因此本正半導(dǎo)體沒有自由電子，也沒有導(dǎo)電性。本征半導(dǎo)體只有在這里以下才能導(dǎo)電。3 .電子和空穴，導(dǎo)體熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度上升或被光照射時，價電子能量上升，有些價電子擺脫原子核的束縛，參與傳導(dǎo)，成為自由電子。牙齒現(xiàn)象也稱為固有激發(fā)，熱激發(fā)。在電子和孔、自由電子產(chǎn)生的過程中，原共價鍵中出現(xiàn)了一個空位，原子的傳記中性表示破壞、正電

4、，正電等于電子的負(fù)電，人們通常將表示正電的牙齒空位稱為空穴。電子和空穴的復(fù)合，可以看到熱刺激引起的自由電子和空穴同時成對。這被稱為電子空穴對。自由電子的自由部分也可以回到被稱為復(fù)合的空穴，如圖所示。(托馬斯a .愛迪生，自由名言)固有的激發(fā)和合成將在特定的溫度下動態(tài)平衡。(動畫)，這樣的話，共價鍵中就會出現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移電流。在晶體中的孔移動(動畫)，電流的方向與電子移動的方向相反，與空穴移動的方向相同。本征半導(dǎo)體產(chǎn)生電流的根本原因是共價鍵中發(fā)生了空穴。由于空穴的數(shù)量有限，其電阻率很大。2.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體，在本晶半導(dǎo)體中摻入一些稀有元素，會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生很大變化。摻入的雜質(zhì)主要是3價或5價元

5、素。混合了雜質(zhì)的固有半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。(1) N型半導(dǎo)體(2) P型半導(dǎo)體，1。N型半導(dǎo)體，在本征半導(dǎo)體中摻入5價雜質(zhì)元素(如磷)的話，也稱為N型半導(dǎo)體，又稱電子型半導(dǎo)體。因為5價雜質(zhì)原子中只有4個價電子能形成周圍4個半導(dǎo)體原子中的價電子和共價鍵，1個不必要的價電子沒有共價鍵束縛，很容易形成自由電子。在n型半導(dǎo)體中，自由電子是由大部分載流子，主要是雜質(zhì)原子提供的。此外，硅晶體由于熱刺激而產(chǎn)生少量電子空穴對，因此空穴是少數(shù)載流子。N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，提供自由電子的5價雜質(zhì)原子失去了電子，帶著單位正電荷成為正離子，因此5價雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。n型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。因此，有兩種N型半導(dǎo)

6、體的導(dǎo)電粒子。自由電子多數(shù)載流子(由兩部分組成)孔小數(shù)載流子，2。P型半導(dǎo)體，本晶半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素(如硼、鎵、銦等)形成P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。當(dāng)三價雜質(zhì)原子與硅原子共價鍵時，一個價電子不足，在共價鍵內(nèi)留下空穴。(阿爾伯特愛因斯坦，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子)相鄰共價鍵上的電子受刺激獲得能量時，可以填補牙齒空穴來產(chǎn)生新的空穴。洞是主要載流子。在P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、P型半導(dǎo)體中，钚原子容易俘獲電子，成為具有單位負(fù)電荷的負(fù)離子，三價雜質(zhì)也稱為主雜質(zhì)。硅原子的共價鍵失去電子，形成空穴。因此，p型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖如圖所示。p型半導(dǎo)體中：空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成。電子是由

7、熱刺激形成的少數(shù)載流子。3 .雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響，摻雜質(zhì)對本晶半導(dǎo)體導(dǎo)電性有很大影響。部分典型數(shù)據(jù)如下。牙齒三種茄子濃度基本上相差106/cm3。本節(jié)的概念，本節(jié)所述半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體、自由電子、空穴、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、大部分載流子、少數(shù)載流子、逃離雜質(zhì)、潮州雜質(zhì)、2.2 PN接頭及其特性、PN接頭的形成、PN接頭的單向?qū)щ?、PN時N型這樣，兩個半導(dǎo)體的邊界將逐漸形成由正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)域(耗竭層)牙齒。P區(qū)一側(cè)有負(fù)電，N區(qū)一側(cè)有正電，因此在N區(qū)形成了指向P區(qū)的內(nèi)部電場，PN結(jié)，使擴散和漂移運動均衡，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)部電場電位相對穩(wěn)定。這時，有多少多邊擴散到對方身上，有多

8、少兒童從對方身上浮現(xiàn)出來。兩個人產(chǎn)生的電流像大小，方向相反。大衛(wèi)亞設(shè)，Northern Exposure(美國電視電視劇，女性)因此，在相對平衡的情況下，通過PN結(jié)的電流為零。在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體結(jié)合面的情況下，離子薄層形成的空間電荷區(qū)域稱為PN結(jié)。在空間電荷領(lǐng)域，由于缺少多個兒子，所以也稱為耗竭層。由于枯竭層的存在，PN結(jié)的電阻大小很大。PN結(jié)的形成過程(動畫)，PN結(jié)的形成過程的兩個茄子運動：大部分載流子擴散少數(shù)載流子漂移，2。PN結(jié)的單向?qū)щ?，PN結(jié)具有單向?qū)щ?。加電壓使電流從P區(qū)流向N區(qū)，PN結(jié)具有低電阻，因此電流很大。相反，高電阻，小電流。額外電壓在PN結(jié)中：如果P區(qū)域的電位高于

9、N區(qū)域的電位，則稱為加正電壓，即正偏置。p區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，這稱為逆電壓，簡稱逆偏轉(zhuǎn)。(1) PN連接加上正向電壓具有導(dǎo)電性，加上正向電壓的一部分降落在PN連接區(qū)域，方向與PN連接內(nèi)電場的方向相反，削弱內(nèi)部電場。結(jié)果，內(nèi)戰(zhàn)界對多邊擴散運動的障礙減弱，擴散電流增加。擴散電流比漂移電流大得多，可以忽略漂移電流的影響，PN連接表示低電阻。，低電阻大正向擴散電流，(2)在PN結(jié)中添加逆壓時的導(dǎo)電，加上逆壓方向與PN結(jié)中的電場方向相同，加強內(nèi)部電場。內(nèi)戰(zhàn)界對多邊擴散運動的障礙增強，擴散電流大大減少。此時，PN結(jié)區(qū)的元件在內(nèi)部電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，擴散電流可以忽略，PN結(jié)表示高電阻

10、。PN結(jié)的伏安特性，在特定溫度條件下，由固有刺激確定的器件濃度是恒定的，因此器件形成的漂移電流是恒定的，基本上與逆壓力的大小無關(guān)，牙齒電流也稱為逆飽和電流。高電阻小反向漂移電流，(3) PN結(jié)的電壓電流特性，PN結(jié)加上正向電壓，低電阻，大正向擴散電流PN結(jié)加上反向電壓，就會出現(xiàn)高電阻，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? .PN接合方程式，理論分析表明，PN接合兩端的電壓V與通過PN結(jié)的電流I之間的關(guān)系如下：其中：IS是PN接頭的反向飽和電流。VT稱為溫度電壓當(dāng)量，溫度為300K(27C)時，VT約為26mV是。所以常識，當(dāng)PN結(jié)方程，PN結(jié)正偏的時候，如果V VT大

11、于幾倍，常識就可以重寫。也就是說，I根據(jù)V根據(jù)金志洙定律變化。如果PN結(jié)偏離時V VT大于幾倍，則可以復(fù)蓋它，如上所示。其中負(fù)號是反向顯示的。4 .PN聯(lián)接的擊穿特性，如圖所示，當(dāng)添加到PN聯(lián)接中的反向電壓增加到特定值時，反向電流突然急劇增加，PN聯(lián)接產(chǎn)生了電擊穿，這就是PN聯(lián)接的擊穿特性。發(fā)生拆解時的半偏置電壓稱為PN接頭的反向擊穿電壓VBR。PN結(jié)穿孔后，PN結(jié)的壓降高，電流大，功率大。當(dāng)PN結(jié)的功耗加熱PN結(jié)并超過其消耗功率時，PN結(jié)會發(fā)生熱破裂。(威廉莎士比亞，溫斯頓，PN，PN，PN，PN，PN，PN)這時PN結(jié)的電流和溫度之間產(chǎn)生了惡性循環(huán)，最終PN結(jié)會燃燒。5 .PN結(jié)的電容效應(yīng)

12、，PN結(jié)除單向?qū)щ娡?，還有一定的電容效果。根據(jù)電容發(fā)生的原因，可以分為勢壁壘電容CB、擴散電容CD。(1)勢壁壘電容CB，勢壁壘電容空間電荷區(qū)的離子薄層形成。當(dāng)加電壓改變PN連接的壓降時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地發(fā)生變化，這與電容充電放電一樣，PN連接中存儲的電荷量也相應(yīng)地發(fā)生變化。勢擋墻電容圖如下圖所示。勢壁壘電容圖表，(2)擴散電容CD，擴散電容多子擴散后在PN節(jié)點另一邊堆積形成。當(dāng)PN結(jié)為正時，從N區(qū)擴散到P區(qū)的電子與外部電源提供的空穴相結(jié)合，形成正向電流。剛剛擴散的電子堆在P區(qū)內(nèi)PN結(jié)的附近，形成一定的多邊濃度梯度分布曲線。擴散電容圖表，相反，從P區(qū)域擴散到N區(qū)域的孔，在N區(qū)域內(nèi)也形成類

13、似的濃度梯度分布曲線。擴散電容圖如圖所示。擴散電容CD，加上凈電壓不同時，擴散電流，即外部電路電流的大小也不同。因此，PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同。這是相當(dāng)電容的充電放電過程。勢壁壘電容和擴散電容都是非線性電容。擴散電容圖表，PN結(jié)在逆偏時主要考慮勢壁壘電容。PN連接主要考慮正偏轉(zhuǎn)中的擴散電容。2.3半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用、半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)類型、半導(dǎo)體二極管電壓電流特性曲線、半導(dǎo)體二極管參數(shù)、半導(dǎo)體二極管溫度特性、半導(dǎo)體二極管模型、調(diào)節(jié)器二極管、半導(dǎo)體二極管及其分析方法、2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型、在PN結(jié)中添加引線和軟件包將成為二極管。按二極管結(jié)構(gòu)分為接觸型、面試型、平面型三

14、個茄子主要類別。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。(1)點接觸型二極管，PN連接面積小，連接電容器小，用于檢波和變頻等高頻電路等。點接觸二極管結(jié)構(gòu)圖表、二極管結(jié)構(gòu)、平面、(3)平面二極管，常用于集成電路制造過程。PN結(jié)面積大，高頻整流和開關(guān)電路都使用。，(2)面接觸型二極管，PN結(jié)面積大，工頻大電流整流電路。面接觸型、2.3.2半導(dǎo)體二極管電壓特性曲線、半導(dǎo)體二極管電壓特性曲線如圖所示。第一個象限具有純電壓特性曲線，第三個象限具有反向電壓特性曲線。根據(jù)二極管伏安特性曲線，理論，二極管電壓特性曲線可以用哈式表示。形式的IS是反向飽和電流，V是二極管兩端的電壓降，VT=kT/q是溫度的電壓當(dāng)量，K是玻爾茲曼

15、常量，Q是電子電荷，T是熱力學(xué)溫度。對于室溫(相當(dāng)于T=300 K)，VT=26 mV。硅二極管死區(qū)電壓VTH=約0.5V，鍺二極管死區(qū)電壓VTH=約0.1V，0VVth中正向電流為零，VTH稱為死區(qū)電壓或開路電壓。當(dāng)位于V0牙齒正向特性區(qū)域時。正向區(qū)域分為兩部分。在VVth中，正向電流出現(xiàn)并呈指數(shù)增長。(1)正向特性，V0時位于反向特性區(qū)域。逆向區(qū)域也分為兩個區(qū)域。在VBRV0中，反向電流較小，基本上不隨反向壓力的變化而變化。在牙齒情況下，反向電流也稱為反向飽和電流IS。VVBR中反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。(2)反轉(zhuǎn)特性、反轉(zhuǎn)特性、反轉(zhuǎn)區(qū)域中的硅二極管和鍺二極管特性不同。硅二

16、極管反向擊穿特性比較硬，陡，反向飽和電流也較小。鍺二極管反向擊穿特性比較柔和，轉(zhuǎn)換比較平滑，反向飽和電流更大。在擊穿機制中，硅二極管|VBR|7V主要是雪崩擊穿。|VBR|4V時，主要是吉娜破壞。如果4V7V之間同時存在兩個茄子貫穿，則可以獲得零溫度系數(shù)點。2.3.3半導(dǎo)體二極管參數(shù)、半導(dǎo)體二極管參數(shù)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、最大工作頻率fmax和接合容量Cj等。幾個茄子主要參數(shù)簡介如下：(1)最大整流電流中頻，二極管器官連續(xù)運行時允許二極管通過的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向操作電壓VRM，半導(dǎo)體二極管參數(shù)，(3)在

17、反向電流IR3360室溫下指定的反向電壓下，通常是最大反向操作電壓下的反向電流值。硅二極管反向電流通常位于nA(nA)級別。在微型和(a)級別上的鍺二極管。(4)正向壓降VF:在指定的正向電流下二極管正向電壓降。小電流硅二極管正向壓降為中等電流水平，約0 . 60 . 8v；是。鍺二極管約為0.20.3V .(5)動態(tài)電阻rd:反映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 /IF，2.3.4半導(dǎo)體二極管溫度特性，溫度對二極管性能有很大影響。溫度升高時，回流會呈指數(shù)增長。例如，硅二極管溫度每增加8，反向電流就會增加約兩倍。鍺二極管溫度每增加12，反向電流就會增加約兩倍。此外，隨著溫度的升高，二極管正向壓力降每增加1，正向壓力降VF(VD)就減少約2mV，因此具有負(fù)溫度系數(shù)。可以在顯示的二極管伏安特性曲線中看到它們。2.3.5半導(dǎo)體二極管模型、國家標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體器件模型命名示例：二極管符號：d是p型Ge、半導(dǎo)體二極