1半导体二极管 ppt课件

1、第一章第一章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半导体二极管半导体二极管1.3双极型三极管双极型三极管(BJT)1.4场效应三极管场效应三极管N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +以以N N型半导体为基片型半导体为基片1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1PN 结及其单导游电性结及其单导游电性两种运动两种运动物质从浓度

2、高的地方向浓度低的地方运动物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动电场力电场力 的作用下载流子的运动的作用下载流子的运动使半导体的一边构成使半导体的一边构成N N型区，另一边构成型区，另一边构成P P型区。型区。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -经过半导体分散工艺经过半导体分散工艺N+ + + + + + + + + + + + + +

3、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -a. 在浓度差的作用下，电子从在浓度差的作用下，电子从 N区向区向P区分散。区分散。 物质因浓度差而产生的运动称为分散运动。气体、液体、固体均有之。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - -

4、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -b. 在浓度差的作用下，空穴从在浓度差的作用下，空穴从 P区向区向N区分散。区分散。小结小结即即PN结结空间电荷层空间电荷层N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -耗尽层耗尽层构成内电场构成内电场内电场方内电场方向向N+ + + + + + + + + +

5、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -势垒势垒U0构成电位势垒构成电位势垒N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -PN结一

6、方面妨碍多子的分散结一方面妨碍多子的分散N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -另一方面加速少子的漂移另一方面加速少子的漂移N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - -

7、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -当分散与漂移作用平衡时当分散与漂移作用平衡时a) 流过流过PN结的净电流为零结的净电流为零b) PN结的厚度一定约几个微米结的厚度一定约几个微米c) 接触电位一定约零点几伏接触电位一定约零点几伏N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 少子因电场作用所产生的运动

8、称为漂移运动。少子的漂移运动少子的漂移运动空间电荷区的存在空间电荷区的存在N N区区P P区区，P P区区电电子子穴穴产产生生少少子子漂漂移移：N N区区空空阻阻止止多多子子扩扩散散 无外电场力作用时，分散与漂移到达动态平衡，空间电荷无外电场力作用时，分散与漂移到达动态平衡，空间电荷区具有一定宽度，构成区具有一定宽度，构成PN结。有电位差结。有电位差Uho、无电流。、无电流。离子密离子密度大度大空间电荷空间电荷层较薄层较薄离子密离子密度小度小空间电荷层空间电荷层较厚较厚高掺杂浓度区域高掺杂浓度区域用用N+N+表示表示+_PN+P、N两区杂质浓度相等两区杂质浓度相等对称结对称结P、N两区杂质浓度

9、不相等两区杂质浓度不相等不对称结不对称结PN结正向偏置结正向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结P型半导体的一型半导体的一端的电位高于端的电位高于N型半导体一端的电位时，称型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置，结正向偏置，简称正偏。简称正偏。PN结反向偏置结反向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结N型半导体的一型半导体的一端的电位高于端的电位高于P型半导体一端的电位时，称型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，结反向偏置，简称反偏。简称反偏。- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - -

10、- - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +EPN结正向偏置结正向偏置1. PN 结外加正向电压结外加正向电压内电场被减弱内电场被减弱PN结变窄结变窄PN结呈现低阻、导通形状结呈现低阻、导通形状多子进展分散多子进展分散- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + +

11、+ + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +E内电场加强内电场加强PN结变宽结变宽PN结呈现高结呈现高阻、截止形状阻、截止形状不利多子分散不利多子分散有利少子漂移有利少子漂移- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +E2. PN 外加反向电压外加反向电压 在一定的温度条在一定的温度条件下，少子的浓度根件下，

12、少子的浓度根本不变，反向电流几本不变，反向电流几乎与外加反向电压的乎与外加反向电压的大小无关，故称为反大小无关，故称为反向饱和电流向饱和电流IS。PN结的单导游电性结的单导游电性PN 结的单导游电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单导游电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。IS PN结反向饱和电流结反向饱和电流UT 热电压热电压式中式中UT =KT /qq 电子电量电子电量T 绝对温度绝对温度在室温在室温T=300K)T=300K)时，时，UT 26mVUT 26mV。K 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数其中其中3 PN结的电压与电

13、流关系结的电压与电流关系) 1() 1(TUuSkTquSeIeIiTUuSeIi SIi4 PN结的伏安特性结的伏安特性)1e(S TUuIi5 PN结的击穿结的击穿6 PN结的电容结的电容(2) 分散电容分散电容 PN结外加的正向电压变化时，在分散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为分散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容： 结电容不是常量！假设PN结外加电压频率高到一定程度，那么失去单导游电性！Cb 和和 Cd 值都很小，通常为几个皮法值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，有几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。些结面积大的二极管可达几百皮法

14、。 一、二极管的组成一、二极管的组成PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管(Diode)类类型型按资料分：按资料分：按构造分：按构造分：普通二极管、整流二极管、开关普通二极管、整流二极管、开关二极管、稳压二极管等二极管、稳压二极管等硅管、锗管硅管、锗管点接触型、面接触型、硅平面型点接触型、面接触型、硅平面型按用途分：按用途分：构成：构成：符号：符号：(anode)(anode)(cathode)(cathode)1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性 点接触型：结面点接触型：结面积小，结电容小，故积小，结电容小，故结允许的电流小，最结允许的电流小，最高任务频率高，适用高任

15、务频率高，适用于高频电路的检波或于高频电路的检波或小电流的整流。小电流的整流。 面接触型：结面接触型：结面积大，结电容大，面积大，结电容大，故结允许的电流大，故结允许的电流大，最高任务频率低，最高任务频率低，适用于低频电路整适用于低频电路整流。流。 平面型：结面积平面型：结面积可小、可大，小的可小、可大，小的任务频率高，大的任务频率高，大的结允许的电流大。结允许的电流大。结面积大的可以用结面积大的可以用于大功率整流；结于大功率整流；结面积小的，适用于面积小的，适用于脉冲数字电路，作脉冲数字电路，作为开关管运用。为开关管运用。将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就

16、构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管a. 近似呈现为指数曲线，即近似呈现为指数曲线，即TUuIiDeSDb. 有死区有死区iD0的区域的区域)(1) 正向特性正向特性死区电压约为死区电压约为硅管硅管0.5 V0.5 V锗管锗管0.1 V0.1 VOiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U ( BR)反向特性反向特性uD) 1(TDUuDIieS使二极管开场导通的电压使二极管开场导通的电压Uon或或Uth称为开启电压、阈值电压或死区电称为开启电压、阈值电压或死区电压。压。二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性uDi

17、D在二极管的两端加上电压，丈量流过管在二极管的两端加上电压，丈量流过管子的电流，子的电流，I = f (U )之间的关系曲线。之间的关系曲线。c. 导通后即导通后即uD大于死区电压后大于死区电压后TTUuUiUIdudiTDSDD1eD管压降管压降uD 约为约为硅管硅管0.50 .8 V锗管锗管0.10.3 V通常近似取通常近似取uD 硅管硅管0.7 V锗管锗管0.2 VOiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U ( BR)反向特性反向特性uD即即 uD略有升高，略有升高， iD急剧增大。急剧增大。) 1(TDUuDIieS二极管导通后电压到一定值后不再添加并坚二极管导通后电压到

18、一定值后不再添加并坚持不变，该电压值称为导通电压持不变，该电压值称为导通电压uD。(2) 反向特性反向特性 IS=硅管小于硅管小于1 1微安微安锗管几十到几百微安锗管几十到几百微安OiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U ( BR)反向特性反向特性uD(BR)DUua. 当当SDIi时，时，。b. 当当(BR)DUu时，时，反向电流急剧增大，反向电流急剧增大，二极管发生反向击穿。二极管发生反向击穿。3 温度对半导体二极管特性的影响温度对半导体二极管特性的影响(1) 当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。uD/ uD/ T = T = 2

19、2.522.5mV/ mV/ C C(2) 温度升高，反向饱和电流增大。温度升高，反向饱和电流增大。)(2)(0S10S0TITITT 即即 温度每升高温度每升高1 1C C，管压降降低，管压降降低22.522.5mVmV。即即 平均温度每升高平均温度每升高1010C C，反向饱和电流增大一倍。，反向饱和电流增大一倍。从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单导游电性单导游电性。，则则若若反反向向电电压压；，则则若若正正向向电电压压STSTTeIiUuIiUuUu )1e (TS UuIi2. 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T在电流不变情况下管压降在电流不变情

20、况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线 非线性的伏安特性给我们的分析、设计带来不便，可根据二极非线性的伏安特性给我们的分析、设计带来不便，可根据二极管的实践任务形状建立适当的模型。管的实践任务形状建立适当的模型。 物理模型物理模型准确却复杂，需计算机辅助分析、设计准确却复杂，需计算机辅助分析、设计 近似模型近似模型近似却简单近似却简单二、二极管的等效电路模型二、二极管的等效电路模型RUVIDRrUVIDD例：例：RVI DTDDdIUiur根据

21、电流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。 当二极管在静态根底上有一动态信号作用时，那么可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流2. 微变等效电路微变等效电路1.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运转时，允许经过的最大正向平均电流。二极管长期运转时，允许经过的最大正向平均电流。2. 最高反向任务电压最高反向任务电压 UR任务时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿任务时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压电压 UBR 的一半定义为的一半定义

22、为 UR 。3. 反向电流反向电流 IR通常希望通常希望 IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4. 最高任务频率最高任务频率 fMfM 值主要值主要 决议于决议于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高任务频率愈低。极管允许的最高任务频率愈低。半导体二极管的运用半导体二极管的运用1. 在整流电路中的运用在整流电路中的运用整流整流 将交流电变成直流电的过程将交流电变成直流电的过程整流电路整流电路 完成整流功能的电路完成整流功能的电路2. 在检波电路中的运用无线通讯在检波电路中的运用无线通讯3. 限幅电路限幅电路 1.2.5稳压管稳压管进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流符号符号:任务条件：反向击穿任务条件：反向击穿普通运用于稳压电源和限幅电路中。普通运用于稳压电源和限幅电路中。阳极阳极阴极阴极2、主要参数、主要参数(1). 稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。(2). 稳定电流稳定电流 IZ 使稳压管正常任务时的