1半导体二极管

下一页总目录章目录返回上一页第4章半导体二极管下一页总目录章目录返回上一页主要内容1.介绍半导体的基本知识；2.半导体器件的核心环节——PN结的形成及其特性；3.简介半导体二极管的结构及主要参数；4.简介几种特殊二极管下一页总目录章目录返回上一页目录1.1半导体的基本知识1.3半导体二极管1.2PN结的形成及特性下一页总目录章目录返回上一页模块导读半导体元件是电子线路的核心元件，它们的基本结构、工作原理、特性及参数是学习电子技术和分析电子电路的基础，学习电子电路必须对半导体器件的工作原理和基本性能有一定的了解，有了这个基础，才能正确合理的使用半导体器件，理解和掌握各种电子电路的工作原理。下一页总目录章目录返回上一页自然界中不同的物质，由于其原子结构不同，它们的导电能力也各不相同。根据物质导电能力的强弱，可以把物质分为导体、半导体和绝缘体。铜、银、铝等金属材料是很容易导电的，称为导体，导体的导电性能良好，电阻率很低，例如，铜的电阻率为1.57×10-8Ω·m；陶瓷、塑料、玻璃、橡胶等材料却不容易导电，称为绝缘体，绝缘体的导电能力很差，电阻率很高，例如，橡胶的电阻率为1016Ω·m，半导体的电阻率介于导体和10-5～107Ω·m，例如，纯锗在室温时电阻率为0.47Ω·m。下一页总目录章目录返回上一页半导体：常见的半导体材料有：锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。其中最典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。这种物质的导电特性处于导体和绝缘体之间。下一页总目录章目录返回上一页一.半导体的共价键结构硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。硅原子和锗原子的结构GeSi+4半导体的导电性能是由其原子结构决定的。为方便起见，常表示如下：下一页总目录章目录返回上一页半导体的共价键结构图+4+4+4+4共价键共用电子对共价键正离子核下一页总目录章目录返回上一页二.本征半导体定义：纯净的、不含其他杂质的半导体。在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚其中，不能成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。+4+4+4+4T=0K时本征半导体结构图：下一页总目录章目录返回上一页温度升高后，本征半导体结构图+4+4+4+4动画演示自由电子空穴下一页总目录章目录返回上一页温度升高后，本征半导体结构图+4+4+4+4动画演示这一现象称为本征激发，也称热激发。电子空穴对下一页总目录章目录返回上一页温度升高后，本征半导体结构图+4+4+4+4电子空穴对复合：与本征激发现象相反，即自由电子遇到空穴并填补空穴，从而使两者同时消失的现象。在一定温度下，本征激发与复合这二者产生的电子－空穴对数目相等，达到一种动态平衡。下一页总目录章目录返回上一页温度升高后，本征半导体结构图+4+4+4+4电子空穴对注意：在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，故在任何时候，本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。下一页总目录章目录返回上一页E＋－自由电子——带负电荷，形成电子流两种载流子空穴——视为带正电荷，形成空穴流本征半导体的导电机制+4+4+4+4自由电子空穴本征半导体中产生电流的根本原因：共价键中空穴的出现。空穴越多，载流子数目就越多，形成的电流就越大。下一页总目录章目录返回上一页自由电子——带负电荷，形成电子流E＋－两种载流子空穴——视为带正电荷，形成空穴流本征半导体的导电机制+4+4+4+4自由电子空穴本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。下一页总目录章目录返回上一页三.杂质半导体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。因掺入杂质性质不同，可分为：空穴（P）型半导体电子（N）型半导体【Positive】【Negative】下一页总目录章目录返回上一页+4+4+3+4P型半导体的结构图在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如硼、镓等。1.P型半导体空穴多数载流子（多子）—空穴；少数载流子（少子）－自由电子。空穴的来源：（1）本征激发产生（少量的）（2）掺入杂质元素后多余出来的（大量的）下一页总目录章目录返回上一页+4+4+3+4P型半导体的结构图在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如硼、镓等。1.P型半导体空穴受主原子多数载流子（多子）—空穴；少数载流子（少子）－自由电子。自由电子的来源：只有本征激发产生（少量的）下一页总目录章目录返回上一页多数载流子（多子）—自由电子；少数载流子（少子）—空穴。N型半导体的结构图+4+4+5+4在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，如磷，砷等。2.N型半导体多余的电子自由电子的来源：（1）本征激发产生（少量的）（2）掺入杂质元素后多余出来的（大量的）下一页总目录章目录返回上一页多数载流子（多子）—自由电子；少数载流子（少子）—空穴。N型半导体的结构图+4+4+5+4在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，如磷，砷等。2.N型半导体多余的电子施主原子空穴的来源：只有本征激发产生（少量的）下一页总目录章目录返回上一页杂质半导体的示意表示方法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半导体N型半导体负离子空穴正离子自由电子下一页总目录章目录返回上一页杂质半导体的示意表示方法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半导体N型半导体负离子空穴正离子自由电子注意：半导体中的正负电荷数是相等的，其作用相互抵消，因此对外保持电中性。下一页总目录章目录返回上一页【半导体知识】小结1.半导体与导体在导电机理上的区别：导体的载流子只有一种：自由电子；半导体的载流子有两种：自由电子和空穴。2.何谓本征半导体和杂质半导体？杂质半导体分类？【同前面所讲！】下一页总目录章目录返回上一页1.2PN结的形成及特性一.PN结的形成返回下一页总目录章目录返回上一页耗尽层动画演示PN结势垒区阻挡层V0（电位势垒）+-下一页总目录章目录返回上一页耗尽层动画演示＋－内电场PN结势垒区阻挡层V0（电位势垒）+-下一页总目录章目录返回上一页由上可知，PN结中进行着两种载流子的运动：多数载流子的扩散运动少数载流子的漂移运动产生的电流称为扩散电流产生的电流称为漂移电流P区空穴→N区N区电子→P区N区空穴→P区P区电子→N区下一页总目录章目录返回上一页空间电荷的变化趋势：【注意：此时为无外加电压状态】随着扩散运动的进行，空间电荷区的宽度将逐渐增大；随着漂移运动的进行，空间电荷区的宽度将逐渐减小。到达平衡时，扩散电流＝漂移电流PN结中总电流＝0空间电荷区的宽度也达到稳定下一页总目录章目录返回上一页1.外加正向电压二.PN结的单向导电性即电源的正极接P区，负极接N区。PN结的这种接法称为正向接法或正向偏置（简称正偏）。前提：只有在外加电压时才会显示出来下一页总目录章目录返回上一页PN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－外电场P区N区多子空穴多子电子VF空间电荷区内电场扩散运动下一页总目录章目录返回上一页PN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区多子空穴多子电子VF变薄下一页总目录章目录返回上一页PN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++变薄＋－内电场外电场P区N区多子空穴多子电子IFVF正向电流I：扩散电流下一页总目录章目录返回上一页PN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++变薄＋－内电场外电场P区N区IFVFI：扩散电流内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流I。小结下一页总目录章目录返回上一页PN结加正向电压时导通动画演示内外电场方向相反，故势垒降低，有利于扩散运动的进行。下一页总目录章目录返回上一页2.外加反向电压即电源的正极接N区，负极接P区。PN结的这种接法称为反向接法或反向偏置（简称反偏）。下一页总目录章目录返回上一页PN结加反向电压时截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++空间电荷区＋－内电场外电场P区N区少子电子少子空穴VR漂移运动下一页总目录章目录返回上一页PN结加反向电压时截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区VR变厚IRI：漂移电流反向电流温度一定时，反向电流IR趋于恒定值，称为反向饱和电流IS。下一页总目录章目录返回上一页PN结加反向电压时截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区VR变厚IRI：漂移电流小结内电场被加强，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IR。下一页总目录章目录返回上一页半导体二极管是由P型半导体和N型半导体结合而成的。二极管具有开关特性，具有单向导通的特征。二极管的正向特性被用于整流电路，二极管的反向特性被一个PN结加上相应的外引线，然后用塑料、玻璃或铁皮等材料做外壳封装就做成了最简单的二极管。1.3半导体二极管下一页总目录章目录返回上一页二极管的结构和类型1.二极管的结构二极管的结构和符号下一页总目录章目录返回上一页普通二极管整流管开关管形形色色的二极管下一页总目录章目录返回上一页阻尼二极管高频二极管金属封装整流二极管形形色色的二极管下一页总目录章目录返回上一页发光二极管形形色色的二极管下一页总目录章目录返回上一页形形色色的二极管下一页总目录章目录返回上一页二极管的封装用于电视机、收音机、电源装置等电子产品中的各种不同外形的二极管如下图所示。二极管通常用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，外壳上一般印有标记以便区别正负电极。黑环为负极白环为负极螺栓端为负极金属封装二极管玻璃封装二极管塑料封装二极管下一页总目录章目录返回上一页二极管的结构和类型5.二极管在实际电路中的应用4）元件保护3）限幅2）钳位1）整流下一页总目录章目录返回上一页类型按材料分类按结构分类按用途分类硅管，锗管点接触型普通二极管、整流二极管、开关二极管、发光二极管、稳压二极管、检波二极管、混频二极管、光敏二极管、便容二极管、光电二极管等面接触型下一页总目录章目录返回上一页mAVRWVRDmAVRWVRD正向电压：阳极高电位阴极低电位反向电压：阴极高电位阳极低电位PN正向电流反向电流下一页总目录章目录返回上一页OD段称为正向特性。OC段，正向电压较小(小于0.5V)，正向电流非常小，只有当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个电压称为死区电压，亦称开启电压。CD段，当正向电压大于死区电压后，正向电流近似以指数规律迅速增长，二极管呈现充分导通状态。1正向特性ADCBiDuDOUBR下一页总目录章目录返回上一页ADCBiDuDoUBROB段称为反向特性。这时二极管加反向电压，反向电流很小。当温度升高时，半导体中本征激发增加，是少数载流子增多，故反向电流增大，特性曲线向下降。3反向击穿特性BA段称为反向击穿特性当二极管外加反向电压大于一定数值时，反向电流突然剧增，称为二极管反向击穿。2反向特性下一页总目录章目录返回上一页小结：二极管的伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。半导体二极管下一页总目录章目录返回上一页iDouD20406080100(mA)(v)-40-80-0.1-0.20.40.8~iDouD-200-10020406080100-10-30-2075℃20℃(mA)(v)(μA)12材料开启电压（V）导通电压（V）反向饱和电流（μA）硅（Si）≈0.50.6~10.1锗（Ge）≈0.10.2~0.5几十二极