半导体器件-二极管

1、半导体器件-二极管 电子技术基础电子技术基础课程安排：课程安排： 理论课理论课72学时学时 教材：教材：模拟电子技术基础简明教程模拟电子技术基础简明教程（第三版）（第三版） 参考书：各种模拟电路教材与专著参考书：各种模拟电路教材与专著 实验课：实验课： 教材：教材：模拟电子技术实验讲义模拟电子技术实验讲义, 教师：理论课：教师：理论课： , 实验课实验课（3 ：,王燕，张海燕王燕，张海燕 半导体器件-二极管 实验室：二教实验室：二教605,612 答疑办公室：二教答疑办公室：二教602，一教，一教458 时间：周三下午时间：周三下午3：00（如更改另行通知）（如更改另行通知） 电话：电话： 邮

2、箱：邮箱： 半导体器件-二极管 电子竞赛培训暨课外活动 时间:电子技术实验课程开始后(另行通 知); 地点:二教610; 自主报名,选拔参加9月份全国大学生电子 设计竞赛。 半导体器件-二极管 电子技术就是研究电子器件、电子电 路及其应用的科学技术。 电子器件包括：电子管、晶体管和集 成电路。 晶体管包括：二极管、三极管、场效 应管。 集成电路包括：模拟集成电路、数字 集成电路。 电子技术电子技术- 绪论绪论 半导体器件-二极管 电子元件包括：电阻器（简称电阻）、 电容器（简称电容）、电感器（简称电 感）、变压器、开关等。这些已经在电 路分析中讲过。 由晶体管或电子管以及上述电子元件组 成的电

3、子电路称为分立电路。 如果把多个晶体管制作到一块晶体上则 称为集成电路。集成电路里可含有电阻和 较小的电容（几十几百pF)，电感和较大 的电容不能制作到集成电路中。 半导体器件-二极管 模拟电子技术(analog) 研究对象-随时间连续变化的信号（模拟信 号) 研究内容-输入与输出之间的信号大小、相 位、效率等。 晶体管的工作状态-放大。 半导体器件-二极管 数字电子技术(digital) 研究对象-时间上离散的脉冲信号（数字信 号） 研究内容-输入和输出之间的逻辑关系。 晶体管的工作状态-饱和或截止。 半导体器件-二极管 半导体器件-二极管 半导体器件-二极管 半导体器件-二极管 第第1章章

4、 半导体器件半导体器件 1.1半导体的特性半导体的特性 1.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管 1.3 双极型三极管双极型三极管 1.4 场效应三极管场效应三极管 半导体器件-二极管 1.1.1 本征半导体本征半导体 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。 Si 硅原子硅原子 Ge 锗原子锗原子 1.1 半导体的特性半导体的特性 半导体器件-二极管 四价元素原子模型 半导体器件-二极管 通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体 制成晶体。制成晶体。

5、完全纯净的、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导体晶体， 称为本征半导体。称为本征半导体。 在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原 子之间形成共价键，共用一对价电子。子之间形成共价键，共用一对价电子。 半导体器件-二极管 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构 共价键共共价键共 用电子对用电子对 +4+4 +4+4 +4+4表示除表示除 去价电子去价电子 后的原子后的原子 半导体器件-二极管 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键 中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱 离共价键

6、成为自由电子。离共价键成为自由电子。 形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电 子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。 +4+4 +4+4 半导体器件-二极管 本征激发和热激发：束缚电子 自由电子 半导体器件-二极管 两种载流子：电子和空两种载流子：电子和空 穴。（空穴：在一定温穴。（空穴：在一定温 度下，电子脱离束缚，度下，电子脱离束缚， 其留下的空位形成空穴）其留下的空位形成空穴） 电子和空穴成对出现。电子和空穴成对出现。 在一定温度下，电子在一定温度下，电

7、子- -空穴对是不断产生又复空穴对是不断产生又复 合，相对平衡，维持一定数目。合，相对平衡，维持一定数目。 半导体器件-二极管 1.1.2杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，在本征半导体中掺入某些微量的杂质， 就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度 大大增加。大大增加。 N型半导体型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）（主要载流子为电子，电子半导体） P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体） 半导体器件-二极管 N型半导体型半导

8、体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）， 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子 的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体 原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几 乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样 磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子，称为施主原子。子给出一个电子，称为施主原

9、子。 硅或锗硅或锗 +少量磷少量磷 N型半导体型半导体 半导体器件-二极管 N型半导体型半导体 多余电子多余电子 磷原子磷原子 硅原子硅原子 + N型硅表示型硅表示 Si P Si Si 半导体器件-二极管 P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代， 硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原 子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸 引束缚电子来填补

10、，使得硼原子成为不能移动的带引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带 负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主 原子。原子。 硅或锗硅或锗 +少量硼少量硼 P型半导体型半导体 半导体器件-二极管 空穴空穴 P型半导体型半导体 硼原子硼原子 P型硅表示型硅表示 Si SiSi B 硅原子硅原子 空穴被认为带一个单位的正电荷，并且空穴被认为带一个单位的正电荷，并且 可以移动可以移动 半导体器件-二极管 杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法 P P型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

11、+ + + + + N N型半导体型半导体 半导体器件-二极管 1.2.1 PN 结的形成及单向导电特性结的形成及单向导电特性 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型 半导体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散， 在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结。结。 1.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管 半导体器件-二极管 P P型半导体型半导体 N N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E 漂移运动 空间电荷区空间电荷区 PN

12、结处载流子的运动结处载流子的运动 半导体器件-二极管 扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。荷区越宽。 漂移运动 P P型半导体型半导体 N N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动结处载流子的运动 内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂 移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移 使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。 半导体器件-二极管 漂移运动 P P型半导体型半导体 N N型半导体型半导体 + + + + + + + + +

13、+ + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动结处载流子的运动 所以扩散和漂所以扩散和漂 移这一对相反移这一对相反 的运动最终达的运动最终达 到平衡，相当到平衡，相当 于两个区之间于两个区之间 没有电荷运动，没有电荷运动， 空间电荷区的空间电荷区的 厚度固定不变。厚度固定不变。 半导体器件-二极管 PN结形成(动画) 半导体器件-二极管 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结加上正向电压、正向偏置的意结加上正向电压、正向偏置的意 思都是：思都是： P区加正电压、区加正电压、N区加负电压。区加负电压。 PN结加上反向电压、反向偏置的意结加上

14、反向电压、反向偏置的意 思都是：思都是： P区加负电压、区加负电压、N区加正电压。区加正电压。 半导体器件-二极管 PN结正向偏置结正向偏置 + + + + 内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强， 扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大 空间电荷区变薄空间电荷区变薄 P N + _ 正向电流正向电流 半导体器件-二极管 PN结正向偏置结正向偏置 半导体器件-二极管 PN结反向偏置结反向偏置 + + + + 空间电荷区变厚空间电荷区变厚 NP + _ + + + + 内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止， 有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小 反向饱和电流反向

15、饱和电流 很小，很小， A级级 半导体器件-二极管 PN结反向偏置结反向偏置 半导体器件-二极管 1.2.2 1.2.2 半导体二极管半导体二极管(diode)(diode)的伏安特性的伏安特性 (1)、基本结构、基本结构 PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 P N P N 符号符号 阳极阳极 阴极阴极 半导体器件-二极管 为了与电子二极管区别，称半导体材料制造 的二极管为半导体二极管。 半导体器件-二极管 半导体器件-二极管 点接触式:接触面积小，通过电流小，节电容小， 适合作检波、开关等高频率、小电流的电路。 面接触式:接触面积大，通过电流大，

16、节电容大， 适于作整流、阻尼、钳位等大电流，低频率的 电路。 半导体器件-二极管 (2)、伏安特性、伏安特性 U I 导通压降导通压降: : 硅硅 管管0.60.7V,锗锗 管管0.20.3V。 反向击穿电反向击穿电 压压UBR 死区电压死区电压 硅管硅管 0.5V,锗管锗管0.2V。 UI E +- 反向漏电流反向漏电流 （很小，（很小， A级）级） 半导体器件-二极管 半导体器件-二极管 1.2.31.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数 1 1、最大整流电流、最大整流电流I IF F 二极管长期运行时，允许通过管子的最大正二极管长期运行时，允许通过管子的最大正 向平均电流。向平均电流。

17、 （超过易过热损坏）（超过易过热损坏） 2 2、最高反向工作电压、最高反向工作电压U UR R=1/2U=1/2UBR BR 3 3、反向电流、反向电流I IR R 在室温条件下，在二极管两端加上规定的反在室温条件下，在二极管两端加上规定的反 向电压时，流过管子的反向电流。向电压时，流过管子的反向电流。 4 4、最高工作频率、最高工作频率f fM M 取决于取决于PN PN 结结电容大小。结电容越大，结结电容大小。结电容越大，f fM M越越 低。低。 半导体器件-二极管 1.2.4 二极管的电容效应二极管的电容效应 1、势垒电容（结电容）势垒电容（结电容） PNPN结加正向电压结加正向电压

18、PNPN结加反向电压结加反向电压 空间电空间电 荷区荷区 空间电空间电 荷区荷区 半导体器件-二极管 势垒电容大小势垒电容大小： l s dU dQ C b S：结面积：结面积 l：耗尽层宽度：耗尽层宽度 介电比系数介电比系数 半导体器件-二极管 势垒电容与外加电压的关系势垒电容与外加电压的关系 半导体器件-二极管 2 2、扩散电容、扩散电容 由多数载流子在扩散过程中的积累而引起的。由多数载流子在扩散过程中的积累而引起的。 np 2 Q 1 x O P区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累 半导体器件-二极管 PN结的总的结电容Cj= 势垒电容Cb+扩散电容Cd

19、正向偏置时，扩散电容正向偏置时，扩散电容Cd起主要作用。起主要作用。 反向偏置时，势垒电容反向偏置时，势垒电容Cb起主要作用。起主要作用。 半导体器件-二极管 1.2.5二极管的应用 在整流电路的应用 这是单相半波二极管整流电路。 所谓单相，就是变压器初级（也叫一次侧）的一端接 交流电源的相线，另一端接交流电源的零线。所谓半 波，就是只在交流电的正半周或负半周有电流从负载 流过。 半导体器件-二极管 半波整流电路的工作波形图 半导体器件-二极管 单相全波桥式整流电路 与单相半波整流电路不同，单相全波桥式整流电路在 交流电的正负半周都有电流从负载流过。 半导体器件-二极管 全波桥式整流电路的工作

20、波形 半导体器件-二极管 二极管在检波电路中的应用 高 频 放 大 器 低 频 放 大 器 半导体器件-二极管 二极管在限幅电路中的应用 + R1 R2 D ui1uo1 + - R3 R4 D ui2uo2 + - 单向限幅电路 半导体器件-二极管 电路中的二极管为理想二极管，假设导通电压忽略不 计。可得输出波形如下图所示 ui t UOM -UOM u02 t UOM -UOM u01 t UOM -UOM 半导体器件-二极管 另一种二极管限幅电路 _ _ + uiuo1 R E _ + ui + _ uo2 VD1 R + _ + _ E + 半导体器件-二极管 分析方法：把二极管看成理

21、想二极管，导通电压忽略不 计，先计算二极管未导通前的正向偏置电压，看其是否 能导通，然后再分别计算二极管导通时和截止时的输出 电压，最后画出输出波形图。 左图中的二极管VD1的正向电压为 VD1导通，此时的输出电压为 VD1截止，此时的输出电压为 由于电阻中没有电流，所以电阻上没有电压降。 EuU iD 10 Eui当时也就是Eui Euo 1 0 Eui当时也就是Eui io uu 1 半导体器件-二极管 例例1：二极管：死区电压：二极管：死区电压=0 .5V，正向压降，正向压降 为为0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0 ，正向压降，正向压降=0 RL

22、ui uO ui uo t t 二极管半波整流二极管半波整流 半导体器件-二极管 1.2.6 稳压管稳压管 IZmax - + 稳压二极管符号稳压二极管符号 U I UZ IZ 稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线 IZmin 当稳压二极管工作当稳压二极管工作 在反向击穿状态下在反向击穿状态下, 当工作电流当工作电流IZ在在 Izmax和和 Izmin之间时之间时, 其两端电压近似为其两端电压近似为 常数常数 正向同正向同 二极管二极管 稳定稳定 电流电流 稳定稳定 电压电压 半导体器件-二极管 主要参数：主要参数： 1 1、稳定电压、稳定电压U Uz z- -工作在反向击穿区时的稳定工作在反

23、向击穿区时的稳定 工作电压。工作电压。 2 2、稳定电流、稳定电流I IZ Z- - 使稳压管正常工作时的参考使稳压管正常工作时的参考 电流。电流。 3 3、动态电阻、动态电阻r rZ Z- - 稳压管两端电压和电流的变 稳压管两端电压和电流的变 化量之比，即化量之比，即 （越小越好）（越小越好） 4 4、电压的温度系数、电压的温度系数 U U - -稳压管电流保持不稳压管电流保持不 变时，环境温度每变化变时，环境温度每变化1 1度所引起的稳定电压度所引起的稳定电压 变化的百分比。变化的百分比。 5 5、额定功耗、额定功耗P PZ Z、最大稳定电流、最大稳定电流I IZM ZM I IZM=

24、ZM= P PZ Z/U /UZ Z I U r Z 半导体器件-二极管 稳压管组成的最简稳压电路 Uo1 R - - + + Ui Dz1 RL IzIo Uo2 R RL + + - - Ui Dz2 Dz1 I 电路要求: 1,外加电源的正极接管子的N区,电源的负极接P区,保证稳 压管工作在反向击穿区; 2,稳压管应该与负载电阻并联,与分压电阻串联; 3,必须限制流过稳压管的电流IZ,不能超过规定值. 半导体器件-二极管 根据欧姆定律可得以下公式： oLzo IRUU 11 III zo IRUU io 1 L z L o o R U R U I 11 212zzo UUU 半导体器件-

25、二极管 稳压电路能够正常工作的条件是：稳压管中能维持正常的 稳定电流IZ。 这涉及到三个问题： 1.输入电压是否足够大。一般Ui最少应大或等于Uo+3V。 2.限流电阻R和负载电阻RL的比例是否能使稳压管反向击 穿并工作于稳压状态。 3. 稳压管中的稳定电流不能超过最大值IZM和最小值。 半导体器件-二极管 例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用 RL ui uO R DZ i iz iL UZ 稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V， Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k ，输入电，输入电 压压ui=12V，限流电阻，限流电

26、阻R=200 。若。若负载电阻负载电阻变化范围变化范围 为为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？，是否还能稳压？ 半导体器件-二极管 RL ui uO R DZ i iz iL UZ UZW=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k ) iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA） 负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在 12mA和和2mA之间之间,所以稳所以稳 压管仍能起稳压