半导体二极管及PPT学习教案

1、会计学1半导体二极管及半导体二极管及第1页/共52页 本征半导体，空穴及其导电作用本征半导体，空穴及其导电作用一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，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。的最外层电子（价电子）都是四个。第2页/共52页本征半导体：本征半导体：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。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在

2、正四面体的中心成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成子与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对，共用一对价电子。价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：第3页/共52页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第4页/共52页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价

3、键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+4第5页/共52页二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带

4、电粒子（即有可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导），它的导电能力为电能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自自由电子由电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空空穴穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴第6页/共52页+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子第7页/共52页2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近

5、的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。第8页/共52页温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能

6、力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。第9页/共52页第10页/共52页第11页/共52页第12页/共52页第13页/共52页第14页/共52页第15页/共52页第16页/共52页第17页/共52页第18页/共52页+REPN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。第19页/共52页第

7、20页/共52页 PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子子漂移加强，但少子数量有限，只能形成数量有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。RE第21页/共52页第22页/共52页伏安特性曲线（2-4）对应表:第23页/共52页结的反向击穿结的反向击穿 二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反

8、向击穿。这种现象我们就称为反向击穿。 击穿形式分为两种：击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿雪崩击穿和齐纳击穿。 齐纳击穿：齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电流急剧增加。流急剧增加。 雪崩击穿：雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁

9、反应。出，形成雪崩式的连锁反应。 对于硅材料的对于硅材料的PN结来说，击穿电压结来说，击穿电压7v时为雪崩击穿，时为雪崩击穿，4v时为齐纳时为齐纳击穿。在击穿。在4v与与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导结的单向导电性，我们在使用时要避免。电性，我们在使用时要避免。 *击穿并不意味着击穿并不意味着PN结烧坏。结烧坏。第24页/共52页第25页/共52页2.1.3 半导体二极管半导体二极管一、基本结构一、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。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触

10、型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号二极管的电路符号：第26页/共52页 二、伏安特性二、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅管硅管0.60.7V,锗管锗管0.2。反向击穿反向击穿电压电压UBR第27页/共52页三、主要参数三、主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电流。2. 反向击穿电压反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至流剧增

11、，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压压UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。第28页/共52页3. 反向电流反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。反向电流要比硅管大几十到几百倍。

12、以上均是二极管的直流参数，二极管的应以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。第29页/共52页4. 微变电阻微变电阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与附近电压的变化与电流的变化之比：电流的变化之比：DDDiur显然，显然，rD是对是对Q附近的微小附近的微小变化区域内的电阻。变化区域内的电阻。第30页/共52页PN结的电流方程结的电流方程PN结所加端电压结所加端电

13、压U与流过它的电流与流过它的电流I的关系的关系为：为：其中其中Is为反向饱和电流，为反向饱和电流，UT为为kt/q，k为玻耳兹曼为玻耳兹曼常数，常数，T为热力学温度，为热力学温度，q为电子的电量，常温下为电子的电量，常温下，T300K时，时，UT可取可取26mv对于二极管其动态电阻为：对于二极管其动态电阻为：eueUtutUtuIsduIsddudididu1*)1(11第31页/共52页5. 二极管的极间电容二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒势垒电容电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒电容：势垒电容：势垒区是积累空间

14、电荷的区域，当电压变化时势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是出的电容是势垒电容势垒电容。扩散电容：扩散电容：为了形成正向电流（为了形成正向电流（扩散电流），注入扩散电流），注入P 区的少子（区的少子（电子）在电子）在P 区有浓度差，越靠近区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P 区有电子区有电子的积累。同理，在的积累。同理，在N区有空穴的积区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电这样所产生的电容就是扩散电容容C

15、D。P+-N第32页/共52页CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散势垒电容和扩散电容的综合效应电容的综合效应rd第33页/共52页二极管：二极管：死区电压死区电压=0 .5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 ，正向压降，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管半波整流第34页/共52

16、页图2-5第35页/共52页2-6第36页/共52页2-7第37页/共52页第38页/共52页2-8第39页/共52页2-8第40页/共52页2.5 特殊二极管特殊二极管 稳压二极管稳压二极管UIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡曲线越陡，电压越，电压越稳定。稳定。+-UZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。第41页/共52页第42页/共52页（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压

17、UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻ZZIUZr第43页/共52页稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数稳压管的技术参数: :k10LR负载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常当输入电压由正常值发生值发生 20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为为Izmax 。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1第44页/共52页令输入电压降到下限令输入电压降到下限时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电流为流为Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui第45页/