PN结二极管课件黄秋柳PPT

PN结二极管黄秋柳2008-5-51内容提要一、PN结二极管概述二、PN结二极管特性三、几种特殊的二极管2一、PN结二极管概述半导体P型、N型半导体PN结PN结二极管正向特性反向特性击穿特性3PN结的I-V特性UI反向击穿电压U(BR)正向特性：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用。当正向电压增加到一定的值后（硅管约为0.7V锗管约为0.2V），内建电场被完全消除，电流增长很快，近乎直线上升。反向特性：在“PN”结的额定击穿电压之前，反向偏置“PN”结的电流只由少数载流子漂移产生,其值基本上不随反偏压增大而上升。击穿特性：当加在“PN”结上的反向偏压超过其设计的击穿电压后，“PN”结发生击穿。①齐纳击穿②雪崩击穿。IF（多子扩散）正偏反偏IR（少子漂移）反向击穿反向饱和电流Is4

根据理论分析：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q

称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数

1.38×10－23q

为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。当u>0u>>UT时当u<0|u|>>|UT

|时5

PN结二极管的结构

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型

二极管的结构示意图6(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型(4)二极管的代表符号7PN结二极管工作原理不加外电压时，扩散电流=漂移电流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散电流增加,引起正向电流。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Is。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。

8二、二极管的特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入，负极流出。

9正向特性

当V＞0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段：

当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。

当V＞Vth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Vth=0.5V左右，

锗二极管的死区电压Vth=0.1V左右。

硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性反向击穿特性反向特性正向特性10反向特性当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当VBR＜V＜0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和电流IS。当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。

硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性反向击穿特性反向特性正向特性硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。11二极管的温度特性温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VD大约减小2mV，即具有负的温度系数。12二极管的主要参数（1）最大整流电流IF——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。

（2）反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM——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VBR。为保证二极管安全工作，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。即VRM=0.5VBR13（3）反向电流IR——在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。

硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(mA)级。

（4）正向压降VD——在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。

小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。

（5）动态电阻rd——反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即

rd=△VD/△ID

14三、几种特殊的二极管整流二极管、检波二极管、开关二极管——利用PN结的单向导电性稳压二极管、雪崩二极管——利用PN结击穿特性变容二极管——利用结电容随外电压变化效应15整流二极管主要用于整流电路中。它是利用PN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，但是其频率范围较窄且低，在3KHz以下。

检波二极管作用：利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来。工作原理：由于检波二极管的单向导电性，调幅信号通过二极管时，其负向部分被截去，仅留下其正向部分。此时，如在每个信号周期取平均值（低通滤波），所得为调幅信号的波包，即基带低频信号，实现了解调（检波）功能。广泛用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中。16开关二极管作用：在电路中控制电流接通或关断（在PN结加上正向电压后，其导通电阻很小；而加上反向电压后截止，其电阻很大。）开关时间=开通时间+反向恢复时间

开关时间：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。

硅开关二极管的反向恢复时间只有几个纳秒（ns），即10-9级秒；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。17当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压

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调节电阻就可以把电压调节在需要的值上。

18稳压二极管的主要

参数稳定电压UZ——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。(2)动态电阻rZ——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。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。

rZ=U/I

rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作电流IZmin——保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。(4)最大稳定工作电流IZmax——超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。19雪崩二极管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：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，从而产生高频振荡。常被应用于微波领域的振荡电路中。

20雪崩击穿与齐纳击穿雪崩击穿：在电场作用下，载流子能量增大，不断与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。新产生的载流子又通过碰撞产生自由电子-空穴对，这就是倍增效应。1生2，2生4，像雪崩一样增加载流子。

反偏pn结的雪崩击穿过程21齐纳击穿：在高的反向电压下，PN结中存在强电场，它能够直接破坏共价键，将束缚电子分离，形成电子-空穴对，形成大的反向电流。齐纳击穿需要的电场强度很大,只有在杂质浓度特别大的PN结才做得到。（杂质大电荷密度就大）

雪崩击穿与齐纳击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二极管中，就是稳压二极管

反偏pn结的齐纳击穿的物理机理22变容二极管势垒电容示意图扩散电容示意图利用pn结电容（势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管。（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，反向偏压越大，结电容就越小。）结电容一般只有几个皮法，至多一、二百皮法，所以变容二极管都用于高频电路，例如作为电视接收机调谐回路中的可变电容器。

C的阻抗＝1/(ωC)23PN结的其他应用使半导体的光电效应与PN结相结合可制作多种光电器件举例：利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管。利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可制作光电探测器。利用光生伏特效应可制成太阳能电池。构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心24激光二极管激光产生的条件：①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。②满足阈值条件P1P2exp(2G2A)=1（P1P2是两个反射镜的反射率；G是激活物质的增益系数；A是介质的损耗系数；exp为常数）（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）③满足谐振条件f=qc/2NL表明谐振腔长度L和折射率N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。25激光二极管结构及工作原理当半导体的PN结加有正向电压时，注入PN结附近的非平衡电子和空穴发生复合——自发辐射。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—空穴对附近，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光子——受激辐射。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，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。26发光二极管发光原理：制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN