part 1 半导体二极管 -s (2)课件

考试70％平时30％平时成绩＝到课＋课堂表现＋作业到课：点名缺课（事前请假）假条迟到课堂表现：回答问题＋纪律作业：按时效果半导体的导电特性杂质半导体PN结及其单向导电性半导体二极管

半导体二极管半导体概念依照导电性能，可以把媒质分为导体、绝缘体和半导体。导体有良好的导电能力，铜、铝等金属材料；绝缘体基本上不能导电，玻璃、陶瓷等材料；半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，硅(SiSilicon)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料。

半导体的导电能力会随温度、光照的变化或因掺入某些杂质而发生显著变化。铜导线(左上)、玻璃绝缘体(左下)和硅晶体(上)光敏电阻是一种特殊的电阻，它的电阻和光线的强弱有直接关系光强度增加，则电阻减小；光强度减小，则电阻增大。通常应用于光控电路，如路灯照明、警报器、楼梯灯本征半导体(intrinsicsemiconductor)一、本征半导体指纯单晶，理想化的。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。结构：GeSi硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子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离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。共价键：共价键就是相邻两个原子中的价电子为共用电子对而形成的相互作用力。对大多数原子来说，外层电子数为8时它们达到饱和。这时它们的外层电子数与同周期的惰性气体元素的外层电子数相同。

几个概念本征激发：当本征半导体的温度升高或受到光照时，某些共价键中的价电子从外界获得能量而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子的同时，在共价键中会留下数量相同的空位子→→→空穴。这种现象称为本征激发。

本征激发形成:电子(负电荷)-空穴（带正电）（1）漂移电流：

自由电子在电场作用下定向运动形成的电流称为漂移电流。（2）空穴电流：空穴在电场作用下定向运动形成的电流称为空穴电流。电子电流与空穴电流的实际方向是相同的，总和即半导体中的电流。（3）复合：自由电子在热运动过程中和空穴相遇，造成电子-空穴对消失，这一过程称为复合。

杂质半导体：掺杂后的半导体，包括N型半导体和P型半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(磷、砷、锑)等，每个杂质原子提供一个自由电子，从而大量增加自由电子数量。N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，为多数载流子(多子)，空穴为少数载流子(少子)。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由电子

杂质半导体杂质半导体的记忆及示意表示法：－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。结论

不论P型或N型半导体，掺杂越多，掺杂浓度越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少子浓度也小。掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，表明其导电能力显著增大。几十万到几百万倍在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升高而显著增大。小结1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。PN结的形成在一块晶体两边分别形成P型(硼)和N型半导体(磷)。由于P区有大量空穴(浓度大)，而N区的空穴极少(浓度小)，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散。

N区电子也类似反向运动PN自由电子空穴扩散扩散空间电荷区P区N区内电场多数载流子将扩散形成耗尽层；耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区；（内电场）内电场阻碍了多子的继续扩散。空间电荷区P区N区空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用。但对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴)则可推动它们越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移漂移漂移几个重要概念：①扩散运动

——多子因浓度差而引起的运动称为扩散运动。②漂移运动

——空间电荷区在内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移。③空间电荷区——在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，在P区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。④内部电场——由空间电荷区将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。

PN结的单向导电性－－PN结外加电压情形如果在PN结上加正向电压，即外电源的正端接P区，负端接N区。可见外电场与内电场的方向相反，因此扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。于是，整个空间电荷区变窄，电内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流(正向电流)。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN结呈现的反向电阻很高。又因为少数载流子是由于价电子获得热能(热激发)挣脱共价键的束缚而产生的，环境温度愈高，少数载流子的数目愈多。所以温度对反向电流的影响很大。PN结单向导电性即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低正向电流较大(PN结处于导通状态)加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小(PN结处于截止状态)。PN结的反向击穿问题PN结反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时，反向电流会急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿。

反向击穿发生在空间电荷区。击穿的原因主要有两种：当PN结上加的反向电压超过一定限度时，阻挡层较厚，处在强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格，将价电子碰撞出来，产生电子空穴对新产生的载流子再去碰撞其它价电子产生新的电子空穴对，如此连锁反应，使反向电流越来越大。

(1)雪崩击穿当PN结两边的掺杂浓度很高，阻挡层又很薄时，阻挡层内载流子与原子碰撞的机会大为减少，因而发生雪崩击穿几率较小。(2)齐纳击穿当PN结非常薄时，阻挡层两端加的反向电压不太大，也会产生一个比较强的内电场。这个内电场足以把PN结内中性原子的价电子从共价键中拉出来，产生出大量的电子—空穴对，使PN结反向电流剧增。可见，齐纳击穿发生在高掺杂的PN结中，相应的击穿电压较低，一般小于5V。PN结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成

PN结的电容特性

势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。图01.09势垒电容示意图扩散电容：正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种电容效应

PN结的电容特性图01.09势垒电容示意图PN结正偏，多子扩散运动加强，由N区扩散到P区的电子，就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线，相当于电容的充放电过程由P区扩散到N区的空穴，亦然

PN结反向偏置时，少子数量很少，电容效应很少

势垒电容和扩散电容都是非线性电容,都随外加电压的变化而变化。

PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj=势垒电容+扩散电容正偏时，Cj≈扩散电容，其值通常为几十至几百pF反偏时，Cj≈势垒电容,其值通常为几至几十pF因为Cj并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。半导体二极管

把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。1.二极管的基本结构和类型点接触型：结面积小，适用于高频检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。外壳触丝N型锗片正极引线负极引线N型锗面接触型：结面积大，适用于低频整流器件。负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线普通二极管图符号稳压二极管图符号发光二极管图符号DDZD使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。二极管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(A)4020二极管具有“单向导电性”二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：2外加正向电压超过死区电压时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。死区正向导通区反向截止区1当外加正向电压很低时，正向电流很小，几乎为零。这一区域称之为死区。4外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。反向击穿区3反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。正向导通区和反向截止区U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区当外加正向电压大于死区电压时，二极管导通，电压再继续增加时，电流迅速增大，而二极管端电压却几乎不变，此时二极管端电压称为正向导通电压。硅二极管的正向导通电压约为0.7V，锗二极管约为0.3V。在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向电流。反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快，二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定。反向饱和电流。二极管的主要参数（1）最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。（2）最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。一般取击穿电压的一半。（3）反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化较大。（4）最大工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性将变差。二极管的应用---整流作用

将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流。利用二极管的单向导电性能就可获得各种形式的整流电路。二极管半波整流电路二极管全波整流电路B220V~RLDIN4001B220V~RLD1D2二极管桥式整流电路D4B220V~RLD1D2D3二极管承受电压折半二极管的应用--限幅+－DuS10KΩ

IN4148+－u0iD图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲，高电平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。试分析电路的输出电压为多少。分析uS+5V-5Vt0当输入电压ui=－5V时，二极管反偏截止，此时电路可视为开路，输出电压u0=0V；当输入电压ui=+5V时，二极管正偏导通，导通时二极管管压降近似为零，故输出电压u0≈+5V。显然输出电压u0限幅在0~+5V之间。u0I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)

稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化。D稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其反向击穿可逆。正向特性与普通二极管相似反向ΔIZΔUZ二极管的应用---稳压二极管实物图图符号