半导体二极管及其应用_1

1半导体二极管及其应用2§1半导体的基本知识§1.1PN结导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，半导体器件中用的最多的是硅和锗。半导体的特点：•当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。•往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。3§1.1.1本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。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。4本征半导体——化学成分纯净的半导体。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”。它在物理结构上呈单晶体形态。5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6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，所以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八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+47二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴这一现象称为本征激发，也称热激发。8可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合的过程92.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。10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能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。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：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。11§1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。12一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。13+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。14二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。15三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－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。16§1.1.3PN结一、PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。17P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。18漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。19－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0201、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:21二、PN结的单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。22－－－－++++RE1、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。232、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE24PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。253PN结方程其中iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V)1(/SDDTVveIiIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV2626三、PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。iDOVBRD热击穿——不可逆雪崩击穿——高反压，碰撞电离齐纳击穿——较低反压，场致激发电击穿——可逆27四、PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应（结电容），它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB，二是扩散电容CD。281势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下。29扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在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。2扩散电容CD反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如下页所示。30扩散电容示意图当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。都很小。正偏时扩散电容为主；反偏时势垒电容为主。31§2半导体二极管PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号高频，小电流低频，大电流32半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：33半导体二极管图片3435§2.1伏安特性UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.8V,锗管0.1~0.3V。反向击穿电压UBR36§2.2二极管的等效电路1.理想模型3.折线模型2.恒压降模型374.小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr即)1(/SDDTVveIi根据得Q点处的微变电导QdvdigDDdQVvTTeVI/SDTVIDdd1gr则常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrTQ??38叠加！！39§2.3主要参数1.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正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，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压UWRM一般是UBR的一半。403.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。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、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。414.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：DDDiur显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。42二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管半波整流43§2.4稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压性能越好44（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数:（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻ZZIUZr45稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL5mA20mA,V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数:k10LR负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi——方程146令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：k50V7518.R,.ui47稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。48光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加49发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。