晶体二极管-课件.

第1章晶体二极管周云艳学习目标要求1、了解PN结的基本特性2、熟悉晶体二极管的数学模型、曲线模型、简化电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合3、熟悉二极管电路的三种分析方法：图解法、简化分析法、小信号分析法。能熟练利用简化分析法分析各种功能电路4、了解各种特殊二极管的特点及应用1.1半导体的基础知识1.1半导体的基础知识根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3～109cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。sisi硅原子Ge锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。杂敏性、热敏性、光敏性+4表示除去价电子后的原子1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体（Intrinsicsemiconductor）本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。共价键共用电子对+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。1.1半导体的基础知识这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对1.1半导体的基础知识1.1半导体的基础知识在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：1031.510cm锗：1332.410cm载流子——存在于物质中可以自由移动的带电粒子。热平衡载流子的浓度：T导电能力ni或光照热敏特性光敏特性自由电子带负电荷电子流动画演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－＋总电流载流子空穴（束缚电子）带正电荷空穴流本征半导体的导电性弱，取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制1.1半导体的基础知识1.1.2杂质半导体——杂敏性在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1.N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。2.P型半导体1.1半导体的基础知识N型半导体多余电子磷原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对1.1半导体的基础知识空穴硼原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对P型半导体1.1半导体的基础知识杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关1.1半导体的基础知识杂质半导体中载流浓度计算N型半导体2in0n0npn(质量作用定理)dn0dn0NpNn(电中性方程)P型半导体2ip0p0nnpap0ap0NnNp杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。1.1半导体的基础知识1.1.3两种导电机理——漂移和扩散漂移与漂移电流载流子在电场作用下的运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。漂移电流密度EqpJpptEpqJnnt)(总漂移电流密度：)(nPntpttnpEqJJJ迁移率1.1半导体的基础知识半导体的电导率电压：V=El电流：I=SJt+-V长度l截面积S电场EI电阻：SlSJElIVRt电导率：)(1nptnpqEJ1.1半导体的基础知识光照对引起的电导率光照产生的载流子将叠加在热平衡浓度值上，称为非平衡载流子，浓度值000()npqnp()npqnp——光电导率1.1半导体的基础知识载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。扩散电流密度：xxpqDJd)(dppdxxnDqJd)(d)(nnd扩散与扩散电流N型硅光照n(x)p(x)载流子浓度xn0p0小结半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子，故有一定的导电能力，其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，P型半导体空穴是多子，自由电子是少子，N型半导体中自由电子式多子，空穴是少子半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关半导体有两种导电方式：电场作用下产生的漂移电流和非平衡载流子浓度差作用下产生的扩散电流1.2PN结利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。P型PN结掺杂N型1.2PN结与二极管►1.2.1动态平衡下的PN结将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结1.阻挡层形成的物理过程内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层1.2PN结与二极管动画演示少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+－+－N型半导体+++++－++－－++－+－－－－－－内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒UO硅0.5V锗0.1V注意：PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过PN结的电流为零。1.2PN结2、内建电位差：2idaTBlnnNNVV室温时锗管VB0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V3、阻挡层宽度：21dadaB0)2(NNNNVql注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差VB越大，阻挡层宽度l0越小。1.2PN结与二极管1.2.2PN结的伏安特性1、加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场E正向电流1.2PN结与二极管2、加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IR+－－－+－－内电场++－++－E+－EW－－+－空间电荷区+－R+++IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。1.2PN结PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。动画演示1.2PN结PN结——伏安特性方程式PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：)1e(TSVVIIqkTVT热电压26mV(室温)其中：IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。正偏时：TeSVVII反偏时：SII3.PN结的伏安特性1.2PN结PN结——伏安特性曲线IDVVD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN结VD(on)=0.25V锗PN结IS=(10-6~10-8)AVVD(on)时随着V正向R很小IPN结导通；VVD(on)时IR很小(IRIS)反向R很大PN结截止。O1.2PN结1.2.3PN结的击穿特性|V反|=V(BR)时，IR急剧，PN结反向击穿。雪崩击穿齐纳击穿PN结掺杂浓度较低(l0较宽)发生条件外加反向电压较大(6V)形成原因：碰撞电离。V(BR)IDV形成原因：场致激发。发生条件PN结掺杂浓度较高(l0较窄)外加反向电压较小(6V)O热击穿：PN结过热功率损耗PN结温升高本征激发加剧反向电流更大连锁反应热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆：齐纳击穿、雪崩击穿3、稳压二极管利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。要求：IZminIZIZmaxVZIDVIZminIZmax+-VZO1.2PN结1.2.4PN结的温度特性1、PN结伏安特性的温度特性温度每升高10℃，IS约增加一倍。温度每升高1℃，VD(on)约减小2.5mV。1.2PN结因为T载流子运动的平均自由路程V(BR)。2、击穿电压的温度特性雪崩击穿电压具有正温度系数。齐纳击穿电压具有负温度系数。因为T价电子获得的能量V(BR)。1.2PN结与二极管1.2.5PN结的电容特性当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。1、势垒电容CB空间电荷区－－W－++－－－+R+E++PNCbu0Cbu0nVVVCVQC)1()0(ddBTT1.2PN结与二极管2、扩散电容CD当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。+－NPpLx浓度分布耗尽层NP区区中空穴区中电子区浓度分布nL电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）3、PN结电容PN结反偏时，CTCD，则CjCTPN结总电容：Cj=CT+CDPN结正偏时，CDCT，则Cj≈CD故：PN结正偏时，以CD为主。故：PN结反偏时，以CT为主。通常：CD几十pF~几千pF。通常：CT几pF~几十pF。4、变容二极管（a）符号（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）1.2PN结1.2.6PN结的开关特性1、由于二极管导通电压Von的存在，只有二极管两端的正偏电压大于Von时，才可认为二极管作为开关导通。锗比硅的导通特性好。2、二极管导通电阻的存在，只有负载电阻远大于二极管导通电阻时，才可忽略该电阻。3、二极管反向饱和电流不等于0，硅比锗的截止特性好4、二极管结电容的存在，导通和截止都需要一定时间，称正向恢复时间和反向恢复时间。1.2PN结与二极管►1.2.7二极管1.二极管的结构和符号二极管=PN结+管壳+引线（1）二极管的内部结构及符号金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。阴极阳极符号DNP1.2PN结与二极管阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型PN结面积大，用于工频大电流整流电路。用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。1.2PN结与二极管（2）二极管的类型按PN结结构分：有点接触型和面接触型二极管。按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。1.2PN结与二极管（3）半导体二极管的命名国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。1.2PN结与二极管日本对半导体器件型号的命名举例如下：2SA733两位以上整数表示在JEIA注册