PN结二极管课件黄秋柳PPT

1、1PN结结二极管二极管黄秋柳2008-5-52内容提要内容提要一、一、PN结结二极管概述二极管概述二、二、PN结结二极管特性二极管特性三、几种特殊的二极管三、几种特殊的二极管3一、一、PN结结二极管概述二极管概述半半导导体体P型、型、N型型半半导导体体PN结结PN结结二极管二极管正向特性正向特性反向特性反向特性击击穿特性穿特性4PN结结的的I-V特性特性UI反向击穿电反向击穿电压压U(BR)正向特性：正向特性：在正向曲线起始阶段，电流增长缓慢，在正向曲线起始阶段，电流增长缓慢，这是由于内建电场对外电场的抵消作这是由于内建电场对外电场的抵消作用。用。当正向电压增加到一定的值后（硅管当正向电压增加

2、到一定的值后（硅管约为约为0.7V锗管约为锗管约为0.2V），内建电场），内建电场被完全消除，电流增长很快，近乎直被完全消除，电流增长很快，近乎直线上升。线上升。反向特性：反向特性：在在“PN”结的额定击穿电压之前，反向结的额定击穿电压之前，反向偏置偏置“PN”结的电流只由少数载流子漂结的电流只由少数载流子漂移产生移产生,其值基本上不随反偏压增大而上其值基本上不随反偏压增大而上升。升。击击穿特性：穿特性：当加在当加在“PN”结上的反向偏压超过其设结上的反向偏压超过其设计的击穿电压后，计的击穿电压后，“PN”结发生击穿。结发生击穿。齐纳击穿齐纳击穿 雪崩击穿。雪崩击穿。IF（多子扩散（多子扩散）

3、正偏正偏反偏反偏IR（少子（少子漂移）漂移）反向反向击穿击穿反向饱反向饱和电流和电流Is5) 1(eTSUuIi 根据理论分析：根据理论分析：u 为为PN结两端的电压降结两端的电压降i 为流过为流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流为反向饱和电流UT =kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子电荷量为电子电荷量1.6109T 为热力学温度为热力学温度 对于室温（相当对于室温（相当T=300 K）则有则有UT=26 mV。当当 u0 uUT时时1eTUuTeSUuIi 当当 u|U T |时时1eTUuSIi6 PN

4、PN结二极管的结构结二极管的结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大三大类。类。(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频小，用于检波和变频等高频电路。电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图7(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造艺往往用于集成电路制造艺中。中。PN 结面积可大可小，用于结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。高频整流和开关电路中。(2

5、) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型阴阴极极引引线线阳阳极极引引线线PNP 型型支支持持衬衬底底(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号(d) 代代表表符符号号k 阴阴极极阳阳极极 a8PN结结二极管工作原理二极管工作原理不加外电压时，扩散电流不加外电压时，扩散电流=漂移电流漂移电流 电平衡状态电平衡状态外电压正偏时，外界电场和自建电场的互相抵消作用使载流子的扩外电压正偏时，外界电场和自建电场的互相抵消作用使载流子的扩散电流增加散电流增加,引起正向电流。引起正向电流。外电压

6、反偏时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向外电压反偏时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流Is。当外加的反向电压高到一定程度时，当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度结空间电荷层中的电场强度达到临界值发生载流子的倍增效应，产生大量电子空穴对，从而产达到临界值发生载流子的倍增效应，产生大量电子空穴对，从而产生数值很大的反向击穿电流，这称为二极管的击穿现象。生数值很大的反向击穿电流，这称为二极管的击穿现象。 9二、二极管的特性二、二极管的特性最重要的特性就是单方向导电

7、性。最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。入，负极流出。 +iDvD-R10正向特性正向特性当当V0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段：，即处于正向特性区域。正向区又分为两段： 当当0VVth时，正向电流为零，时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。称为死区电压或开启电压。 当当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。 硅二极管的死区电压硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，左右， 锗二极管的死区电压锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。左右。 0 D/

8、V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死死区区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性反向击穿特性反向击穿特性反向特性反向特性正向特性正向特性11反向特性反向特性当当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：区域： 当当VBRV0时，反向电流很小，且基

9、本不随反向时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流和电流IS。 当当VVBR时，反向电流急剧增加，时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击称为反向击穿电压。穿电压。 0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死死区区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP1

10、52AP15的的V V- -I I 特特性性反向击穿特性反向击穿特性反向特性反向特性正向特性正向特性硅二极管的反向硅二极管的反向击穿特性比较硬、击穿特性比较硬、比较陡，反向饱比较陡，反向饱和电流也很小；和电流也很小；锗二极管的反向锗二极管的反向击穿特性比较软，击穿特性比较软，过渡比较圆滑，过渡比较圆滑，反向饱和电流较反向饱和电流较大。大。12二极管的温度特性二极管的温度特性温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。如硅二极管温度每增加如硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大，反向

11、电流大约增加一倍。约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加减小，每增加1，正向压降，正向压降VD大约减小大约减小2 mV，即具有负的温度系数。，即具有负的温度系数。13二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二极管长期连续工作时，允许通过二极二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。管的最大整流电流的平均值。 （2 2）反向击穿电压）反向击穿电压V VBRBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压V VRMRM二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压急剧

12、增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压V VBRBR。为保证二极管安全工作，最大反向工作电压为保证二极管安全工作，最大反向工作电压V VRMRM一般只按反向击穿电一般只按反向击穿电压压V VBRBR的一半计算。的一半计算。 即即 V VRMRM =0.5V =0.5VBRBR14（ （3）反向）反向电电流流IR在室温下，在在室温下，在规规定的反向定的反向电压电压下，一般是下，一般是最大反向工作最大反向工作电压电压下的反向下的反向电电流流值值。 。 硅二极管的反向硅二极管的反向电电流一般在流一般在纳纳安安(nA)级级； ；锗锗二极管在微安二极管在微安(mA)级级。 。 （ （4） ） 正向正向压

13、压降降VD在在规规定的正向定的正向电电流下，二极管的正向流下，二极管的正向电电压压降。降。 小小电电流硅二极管的正向流硅二极管的正向压压降在中等降在中等电电流水平下，流水平下，约约0.60.8 V； ；锗锗二极管二极管约约0.20.3 V。 。 （ （5） ）动态电动态电阻阻rd反映了二极管正向特性曲反映了二极管正向特性曲线线斜率的倒数。斜率的倒数。显显然，然， rd与工作与工作电电流的大小有关，即流的大小有关，即 rd =VD /ID 15三、几种特殊的二极管三、几种特殊的二极管整流二极管整流二极管、 、检检波二极管、开关二极管波二极管、开关二极管利用利用PN结结的的单单向向导电导电性性稳压

14、稳压二极管、雪崩二极管二极管、雪崩二极管利用利用PN结击结击穿特性穿特性变变容二极管容二极管利用利用结电结电容随外容随外电压变电压变化效化效应应16整流二极管整流二极管主要用于整流电路中。主要用于整流电路中。它是利用它是利用PN结的单向导电性把交流电转变成脉动直流电。结的单向导电性把交流电转变成脉动直流电。一般，它用硅材料做成面结合型，因此其结电容较大，但是其频一般，它用硅材料做成面结合型，因此其结电容较大，但是其频率范围较窄且低，在率范围较窄且低，在3KHz以下。以下。 检检波二极管波二极管作用：利用其作用：利用其单单向向导电导电性将高性将高频频或中或中频频无无线电线电信号中的低信号中的低频

15、频信号或信号或音音频频信号取出来。信号取出来。工作原理：由于工作原理：由于检检波二极管的波二极管的单单向向导电导电性，性，调调幅信号通幅信号通过过二极管二极管时时， ，其其负负向部分被截去，向部分被截去，仅仅留下其正向部分。此留下其正向部分。此时时，如在每个信号周期，如在每个信号周期取平均取平均值值（低通（低通滤滤波），所得波），所得为调为调幅信号的波包，即基幅信号的波包，即基带带低低频频信号，信号，实现实现了解了解调调（ （检检波）功能。波）功能。广泛用于半广泛用于半导导体收音机、收体收音机、收录录机、机、电视电视机及通信等机及通信等设备设备的小信号的小信号电电路中。路中。17开关二极管开关

16、二极管作用：在作用：在电电路中路中控制电流接通或关断控制电流接通或关断（ （在在PN结加上正向电压后，其导通电阻很小；而加上反向电压后结加上正向电压后，其导通电阻很小；而加上反向电压后截止，其电阻很大。截止，其电阻很大。 ） ）开关开关时间时间=开通时间开通时间+反向恢复时间反向恢复时间 开关开关时间时间： ：开关二极管从截止到导通所需的时间开关二极管从截止到导通所需的时间 反向恢复时间：开关二极管导通到截止所需的时间。反向恢复时间：开关二极管导通到截止所需的时间。 硅开关二极管的反向恢复时间只有几个纳秒（硅开关二极管的反向恢复时间只有几个纳秒（ns），即），即10-9级级秒；锗开关二极管的反

17、向恢复时间要长一些，但也只有几百纳秒。秒；锗开关二极管的反向恢复时间要长一些，但也只有几百纳秒。广泛应用于自动控制电路广泛应用于自动控制电路 。 。18当稳压二极管工作在反当稳压二极管工作在反向击穿状态下向击穿状态下,工作电工作电流流IZ在在Izmax和和Izmin之间之间变化时变化时,其两端电压近其两端电压近似为常数似为常数稳定稳定电压电压 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管iuUZIUIzminIzmax稳压稳压二极管二极管利用稳压二极管微小的电压变化引利用稳压二极管微小的电压变化引起极大的电流变化的特点快速地把起极大的电流变化的特点快速地把变

18、化的电压反馈到电压调节电阻上，变化的电压反馈到电压调节电阻上，在稳压电路中串联一个合适的电压在稳压电路中串联一个合适的电压调节电阻就可以把电压调节在需要调节电阻就可以把电压调节在需要的值上。的值上。 19稳压二极管的主要稳压二极管的主要 参数参数稳稳定定电压电压UZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。(2) 动态电动态电阻阻rZ 在规定的工作电流下，稳压值的微小变化与通过二在规定的工作电流下，稳压值的微小变化与通过二极管电流的变量的比值。极管电流的变量的比值。 动态电阻值是衡量稳压管稳压能力的一个参数。稳压管的动态电阻动

19、态电阻值是衡量稳压管稳压能力的一个参数。稳压管的动态电阻随工作电流大小而改变，工作电流越大，动态电阻越小，工作电流越小，随工作电流大小而改变，工作电流越大，动态电阻越小，工作电流越小，动态电阻越大。动态电阻越大。 rZ = U / I rZ愈小，反映愈小，反映稳压稳压管的管的击击穿特性愈陡。穿特性愈陡。(3) 最小最小稳稳定工作定工作 电电流流IZmin保证稳压管击穿所对应的电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。(4) 最大最大稳稳定工作定工作电电流流IZmax超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。iuUZIUIzminIz

20、max20雪崩二极管雪崩二极管在外加电压作用下可以产生高频振荡在外加电压作用下可以产生高频振荡 产生高频振荡的工作原理产生高频振荡的工作原理 ： ：利用雪崩击穿对晶体注入利用雪崩击穿对晶体注入载流子，因载流子渡越晶片需要一定的时间，所以其载流子，因载流子渡越晶片需要一定的时间，所以其电流滞后于电压，出现延迟时间，若适当地控制渡越电流滞后于电压，出现延迟时间，若适当地控制渡越时间，那么，在电流和电压关系上就会出现负阻效应，时间，那么，在电流和电压关系上就会出现负阻效应，从而产生高频振荡从而产生高频振荡 。 。常被应用于微波领域的振荡电路中。常被应用于微波领域的振荡电路中。 21雪崩雪崩击击穿与穿

21、与齐纳击齐纳击穿穿雪崩击穿雪崩击穿：在电场：在电场作用下，载流子能作用下，载流子能量增大，不断与晶量增大，不断与晶体原子相碰，使共体原子相碰，使共价键中的电子激发价键中的电子激发形成自由电子形成自由电子-空穴空穴对。新产生的载流对。新产生的载流子又通过碰撞产生子又通过碰撞产生自由电子自由电子-空穴对，空穴对，这就是倍增效应。这就是倍增效应。1生生2，2生生4，像雪崩，像雪崩一样增加载流子。一样增加载流子。 反偏反偏pn结结的雪崩的雪崩击击穿穿过过程程22齐纳击穿齐纳击穿：在高的反：在高的反向电压下，向电压下，PN结中存结中存在强电场，它能够直在强电场，它能够直接破坏共价键，将束接破坏共价键，将

22、束缚电子分离，形成电缚电子分离，形成电子子-空穴对，形成大的空穴对，形成大的反向电流。反向电流。齐纳击穿需要的电场齐纳击穿需要的电场强度很大强度很大,只有在杂质只有在杂质浓度特别大的浓度特别大的PN结才结才做得到。（杂质大电做得到。（杂质大电荷密度就大）荷密度就大） 雪崩雪崩击击穿与穿与齐纳击齐纳击穿穿一般的二极管掺杂浓度没这么高，它们的电击穿都是雪崩击穿。齐纳击穿大多出现在特殊的一般的二极管掺杂浓度没这么高，它们的电击穿都是雪崩击穿。齐纳击穿大多出现在特殊的二极管中，就是稳压二极管二极管中，就是稳压二极管 反偏反偏pn结结的的齐纳击齐纳击穿的物理机理穿的物理机理23变容二极管变容二极管势垒电

23、容示意图势垒电容示意图扩散电容示意图扩散电容示意图利用利用pn结电容（势垒电容结电容（势垒电容)与其反向偏置电压与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制的依赖关系及原理制成的二极管成的二极管 。 。（ （在一定的范围内，变容二极管的反向偏压越小，结电容越大，反之，反向偏压越在一定的范围内，变容二极管的反向偏压越小，结电容越大，反之，反向偏压越大，结电容就越小。大，结电容就越小。 ） ）结电容一般只有几个结电容一般只有几个皮法，至多一、二百皮法，至多一、二百皮法，所以变容二极皮法，所以变容二极管都用于高频电路，管都用于高频电路，例如作为电视接收机例如作为电视接收机调谐回路中的可变电调谐回路中的可变

24、电容器。容器。 C的阻抗的阻抗1/(C)24PN结结的其他的其他应应用用使半使半导导体的光体的光电电效效应应与与PN结结相相结结合可制作多种光合可制作多种光电电器件器件举举例：例：利用前向偏置异利用前向偏置异质结质结的的载载流子注入与复合可以制造半流子注入与复合可以制造半导导体体激光二极管与半激光二极管与半导导体体发发光二极管。光二极管。利用光利用光辐辐射射对对PN结结反向反向电电流的流的调调制作用可制作光制作用可制作光电电探探测测器。器。利用光生伏特效利用光生伏特效应应可制成太阳能可制成太阳能电电池。池。构成双极型晶体管和构成双极型晶体管和场场效效应应晶体管的核心晶体管的核心25激光二极管激

25、光二极管激光激光产产生的条件：生的条件：实现粒子数反转（前提条件）实现粒子数反转（前提条件） 用一定的方法去激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上用一定的方法去激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。例如，氦氖激光器中，通过氦原子的的。该过程称为粒子数的反转。例如，氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。协助，使氖原子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。满足阈值条件满足阈值条件P1P2exp(2G2A)=1 （P1P2是两个反射镜的反射率；是两个反射镜的反射率；G是激活物质的增是激活物质的增益系数；益系数；A是介质的

26、损耗系数；是介质的损耗系数；exp为常数）为常数）（受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗（受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗,保证输出稳定的激光）保证输出稳定的激光）满足谐振条件满足谐振条件f=qc/2NL表明谐振腔长度表明谐振腔长度L和折射率和折射率N确定后，只有某些特定频率的光才能形成确定后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。光振荡，输出稳定的激光。26激光二极管激光二极管结结构及工作原理构及工作原理当半导体的当半导体的PN结加有正向电压时，注结加有正向电压时，注入入PN结附近的非平衡电子和空穴发生结附近的非平衡电子和空穴发生复合复合自发辐射自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体当自发辐射所产生的光子通过半导体时，经过已发射的电子时，经过已发射的电子空穴对附近，空穴对附近，激励二者复合，产生新光子，这种光激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新子诱使已激发的载流子复合而发出新光子光子受激辐射受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即平衡状态相反的载流子分布，即粒子粒子数反转数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产