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当前位置:首页 > 电子/通信 > 综合/其它 > 模拟电子技术基础 黄瑞祥 课件 第2章 半导体二极管
2半导体二极管及其基本电路学习目标1、掌握以下基本概念:半导体材料的特点、空穴、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏;2、了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性;3、掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法;4、正确理解半导体二极管的主要参数;5、掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项,了解选管的一般原则。2半导体二极管及其基本电路2.1半导体基础知识2.2PN结的形成和特性2.3半导体二极管的结构及指标参数2.4二极管电路的分析方法与应用2.5特殊二极管2.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅(Si)和锗(Ge)以及砷化镓(GaAs)等,还有掺杂或制成其他化合物半导体材料,如硼(B)、磷(P)、铟(In)和锑(Sb)等。其中硅是最常用的一种半导体材料。半导体有以下特点:半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。半导体受外界光和热的刺激时,其导电能力将会有显著变化。在纯净半导体中,加入微量的杂质,其导电能力会急剧增强。2.1.2半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构2.1.3本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体——完全纯净的、结构完整的半导体晶体。载流子——可以自由移动的带电粒子。电导率——与材料单位体积中所含载流子数有关,载流子浓度越高,电导率越高。本征激发:当T=0K和无外界激发时,半导体中没有载流子,不导电。当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。2.1.3本征半导体、空穴及其导电作用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,这个空位称为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子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。本征激发动画1-1空穴2.1.3杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素(如磷)的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素(如硼)的半导体。2.1.3杂质半导体N型半导体(施主杂质)多数载流子——自由电子少数载流子——空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4多余电子,成为自由电子+5自由电子+5在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑)2.1.3杂质半导体P型半导体(受主杂质)多数载流子——空穴少数载流子——自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3在本征半导体中掺入三价的元素(硼)+3空穴空穴2.1.4两种导电机理—扩散和漂移空穴和自由电子在硅晶体中的移动有两种过程——扩散和漂移,相应地可形成两种电流——扩散电流和漂移电流。一、扩散扩散是与不规则的热运动联系在一起的,在一块处于热平衡状态的半导体中,均匀分布的自由电子和空穴不会因随机运动而造成电荷的定向流动。但是,如果由于某种原因(例如不均匀光照)使硅片一个部分中的自由电子浓度高于其它的部分,那么电子将会从高浓度区域向低浓度区域扩散。这一扩散过程引起电荷的定向流动,相应产生的电流称为扩散电流(DiffusionCurrent)。2.1.4两种导电机理—扩散和漂移例如图2-1-6(a)所示的硅棒,其中图1-1-6(b)所示为空穴沿x轴方向的浓度分布。2.1.4两种导电机理—扩散和漂移这样一个浓度分布将导致沿x轴方向的空穴扩散电流,由于在任何一点的电流值与浓度曲线的斜率(或称为浓度梯度)成比例关系,则:Jp=-qDpJp为扩散电流密度(即沿x轴方向每单位面积中的电流),单位为;q为电子的电荷量=1.6×10-19C;Dp为比例常数,称为空穴扩散系数。由于斜率是负的,则在x方向将得到一个正电流。dxxdp2cmAdxxdp)(2.1.4两种导电机理—扩散和漂移类似地,在由电子浓度梯度(斜率)产生电子扩散的情况下,同样可以得到电子的扩散电流密度。Jn=qDn这里Dn为电子的扩散系数。对于在硅材料中扩散的空穴和电子,常温下扩散系数的典型值分别为:scmDP213scmDn234dxxdn)(2.1.4两种导电机理—扩散和漂移二、漂移:在外加电场作用下,载流子将在热骚动状态下产生定向的运动,其中自由电子产生逆电场方向的运动,空穴产生顺电场方向的运动。载流子的这种定向运动称为漂移运动。由它产生的电流称为漂移电流。而且两种载流子所产生的漂移电流均是顺电场方向的。2.1.4两种导电机理—扩散和漂移设Jp-drift和Jn-drift分别为空穴和自由电子的漂移电流密度(即通过单位截面积的电流),则它们可分别表示为总的漂移电流密度为:式中,p和n分别为空穴和自由电子的浓度,q为电子电荷量=1.6×10-19C(库仑),E为外加电场强度,单位为V/cm。µP和µN分别为空穴和电子的迁移率。EqJpPpdrift-EnqJndriftn)(EnpqJnpdrift)(2.1.4两种导电机理—扩散和漂移室温时硅材料中,用电阻率表示为:用电导率表示为:例1-1-4:自己看。SVcmp·/6002SVcmn·/15002)(1npdriftnpqJE)(1npnpqEJ2.2.1PN结的形成内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场2.2.1PN结的形成达到动态平衡时,由内建电场产生的电位差称为内建电位差,用VB表示,也可称为势垒电压Vo。式中:(室温T=300K,即27℃时)Na和Nd分别为P型和N型半导体的掺杂浓度。在室温时,硅的;锗的。在温度升高时,由于ni的增大影响比VT大,因而VB将相应地减小。通常温度每升高1℃,VB大约减小2.5mV。)ln(2idaTBnNNVVmVqKTVT26VVB7.0~5.0VVB3.0~2.02.2.2PN结的单向导电性PN结加正向电压时的导电情况PN结的伏安特性1.PN结加正向电压时低电阻很大的正向扩散电流外加的正向电压,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏。2.2.2PN结的单向导电性1.PN结加正向电压时在正常工作范围内,PN结上正偏电压略有增大(如0.1V),I便会显著增大,因此,正向电流I是随外加正偏电压V升高而急速上升的。这样,正向偏置的PN结表现为一个很小的电阻。2.2.2PN结的单向导电性PN结加反向电压时的导电情况PN结的伏安特性2.PN结加反向电压时高电阻很小的反向漂移电流外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同,加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强,扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性。P区的电位低于N区的电位,称为加反向电压,简称反偏。在一定的温度条件下,由本征激发决定的少子浓度是一定的,故少子形成的漂移电流是恒定的,基本上与外加反向电压的大小无关,这个电流也称为反向饱和电流。2.2.2PN结的单向导电性2.PN结加反向电压时反向饱和电流用IS表示。室温时,硅PN结的,锗PN结的。由于IS很小,PN结在反向偏置时,呈现出一个很大的电阻,此时可认为基本不导电的。可见,PN结的正向电阻很小,反向电阻很大(基本不导电),这就是PN结的单向导电性。AIS16910~10AIS8610~102.2.2PN结的单向导电性其中IS——反向饱和电流VT——热电压且在常温下(T=300K)VT=kT/q=0.026V=26mVPN结的伏安特性曲线TDSi(e1)DVVI3.PN结V-I特性表达式2.2.3PN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。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆2.2.3PN结的反向击穿PN结的击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种1、雪崩和齐纳击穿雪崩击穿发生在低掺杂的PN结中,由碰撞电离而形成,击穿电压一般较高,且随掺杂浓度降低而增大。齐纳击穿发生在高掺杂的PN结中,强电场直接把价电子从共价键中拉出来形成。且击穿电压随掺杂浓度增加而减小。2.2.3PN结的反向击穿当时的击穿一般属于雪崩击穿,且具有正温度系数;当时的击穿一般属于齐纳击穿,且具有负温度系数。当左右时,两种击穿现象都有可能发生。相应击穿电压的温度系数将趋于零。V>VBR6)(V<VBR6)(VVBR6)(在2.2.3PN结的反向击穿2、稳压二极管PN结一旦击穿后,尽管通过它的反向电流急剧增大,但PN结两端的电压几乎维持不变。同时,只要限制它的反向电流,使PN结的发热不超过它的耗散功率而引起热击穿,PN结就不会被烧坏。当加在PN结两端的反向电压降低后,PN结仍可以恢复原来的状态,利用这种特性制成的二极管称为稳压二极管或齐纳二极管,简称稳压管。2.2.3PN结的反向击穿2、稳压二极管稳压管的主要参数有三个:稳压电压VZ:是指在规定电流IZ时稳压管两端的电压;最小稳定电流IZmin:保证稳压管可靠击穿所允许的最小反向电流,当时,稳压管将不再稳压。最大稳定电流IZmax:保证稳压管安全工作所允许的最大反向电流,当时,加到PN结上的功率将使PN结过热而烧毁。minZZ<IImaxZZ>II2.2.4PN结的电容效应(1)势垒电容CB势垒电容示意图(2)扩散电容CD扩散电容示意图PN结的高频等效电路结电容C包括势垒电容和扩散电容2.2.4PN结的电容效应1、势垒电容CB(又称耗尽区电容)因为其电荷量存储在耗尽区而得名式中:V为PN结所加的反偏电压,VB为内建电位差。n为常数,称为变容指数,一般为。在现代电子设备中,常把反偏的PN结作为压控可变电容来使用。nBBBVVCC)1()0(31~212.2.4PN结的电容效应2、扩散电容CD由载流子的扩散运动而形成的电容。式中,KD为一常数,其值与PN结两边的掺杂浓度等有关。当外加反向电压时,I=-IS,CD趋于零。)(SDDIIKC2.2.4PN结的电容效应3、PN结电容Cj,势垒电容和扩散电容之和PN结正偏时:CD较大,且,,为PN结反偏时:,,为DBjCCCBD>>CCDjCCpfpf几千几十~0DCBjCCpfpf几十几~2.2.4PN结的电容效应4、变容二极管利用PN结的电容特性可制作成变容二极管,简称为变容管。变容管的最大电容量约为5--300pf,最大电容与最小电容之比大约为5:1。2.3半导体二极管的结构及指标参数2.3.1半导体二极管的结构(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。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。(2)面接触型二极管PN结面积大,用于大电流整流电路2.3.1半导体二极管的结构(3)平面型二极管(4)二极管的代表符号往往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。二极管实例2.3.1半导体二极管的结构二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1(/SDDTVveIi正向特性反向特性反向击穿特性2.3.2二极管的主要参数(6)最高工作频率fM(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)极间电容C2.3.3半导体器件型号命名方法半导体器件型号命名,一般由五部分组成:二极管:如2AP12CZ57等三极管:如3DG63DG12等但现在很多的半导体器件因为进口或出口的原因而沿用了日本或其他国家的命名方法,如1N4007、2SC1835等2.3.3半导体器件型号命名方法附:半导体器件型号
本文标题:模拟电子技术基础 黄瑞祥 课件 第2章 半导体二极管
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