第二个教案 2.1 半导体二极管

第一章半导体二极管和三极管引言半导体器件是组成各种电子线路的基础,本章首先简要介绍半导体的基本知识及构成各种半导体器件的PN结,然后说明半导体二极管和三极管的结构、工作原理、特性曲线及各种参数。本章重点是二极管和三极管的外特性，这是正确使用和设计电子线路的必要条件。1.1半导体的特性半导体：指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅、锗原子结构及简化模型：+14284+3228418+4价电子大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)、锗(Ge)本征激发纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体（比如硅和锗的单晶体）。它们是制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图：共价键共价键具有很强的结合力。当T=0K（无外界影响）时，共价键中无自由移动的电子。1.1.1本征半导体本征激发当T升高或光线照射时产生自由电子空穴对。这种现象称注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发。当原子中的价电子在光照或温度升高时获得能量挣脱共价键的束缚而成为自由电子，原子中留下空位（即空穴），（即产生自由电子－空穴对）同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子释放能量不断填补这些空位时（自由电子与空穴的复合）形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。空穴运动方向与价电子填补方向相反。即自由电子和空穴都能在晶格中自由移动。因而统称它们为半导体的载流子。自由电子—带负电半导体中有两种导电的载流子空穴—带正电本征半导体中本征激发——产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量——复合。温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。T导电能力载流子或光照热敏特性光敏特性半导体除了上面提到的光敏性和热敏性外，还有一种重要的特性就是掺杂性，即在本征半导体中加入微量杂质元素后，半导体的导电性能会大大增强。加杂质后的半导体称为杂质半导体。根据加入杂质元素的不同可分为N型半导体和P型半导体。实际上制造晶体管的材料都是杂质半导体。1.1.2杂质半导体N型半导体：本征半导体中掺入少量五价元素构成。+4+4+5+4+4简化模型：N型半导体多子—自由电子少子—空穴自由电子常温情况下，杂质元素全部电离为自由电子和正离子，正离子在晶格中不能移动，不参与导电。（杂质电离（多数）和本征激发产生）（本征激发产生）常温情况下，杂质元素全部电离为空穴和负离子，负离子在晶格中不能移动，不参与导电。+4+4+3+4+4P型半导体：简化模型：P型半导体少子——自由电子多子——空穴本征半导体中掺入少量三价元素构成。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。空穴（本征激发产生）1.2半导体二极管1.2.1PN结的形成及单向导电性1.2.2二极管晶体二极管、三极管的基本结构为PN结，他们的特性与PN结有关。1.2.3稳压管1.2.1PN结的形成及单向导电性利用掺杂工艺，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。PN结形成的物理过程:因多子浓度差产生空间电荷区引起多子扩散出现内建电场阻止多子扩散利于少子漂移最终达动态平衡P型掺杂N型E内注意：PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，即通过PN结的电流为零。室温时锗管UD0.2~0.3V硅管UD0.6~0.8VPN结的单向导电性PN结的特性只有在外加电压情况下才能表现出来，且只有在外加电压作用下才能被我们所利用，其基本特性为单向导电性（即正向导通，反向截止）；除了单向导电性外还有反向击穿特性、温度特性、电容特性。正偏：是正向偏置的简称，正向偏置是指给PN结的P端接电源的“+”极，N端接电源的“-”极的一种接法。而PN结的正偏特性就是给PN结加正偏电压时所表现出的特性。反偏：是反向偏置的简称，反向偏置是指给PN结的P端接电源的“-”极，N端接电源的“+”极的一种接法。而PN结的反偏特性就是给PN结加反偏电压时所表现出的特性。PN结的单向导电性一、正偏特性E外IPN结正偏阻挡层变薄内建电场减弱多子扩散少子漂移多子扩散形成较大的正向电流IPN结导通电压V电流IPN结呈小电阻特性，理想情况下相当于开关闭合。二、反偏特性E外PN结反偏阻挡层变宽内建电场增强少子漂移多子扩散少子漂移形成微小的反向电流ISPN结截止IS与V近似无关。温度T电流ISISPN结呈大电阻特性，理想情况下相当于开关断开。1.2.2二极管一、晶体二极管结构及电路符号：PN正极负极二、晶体二极管的基本特性（与PN结类似）：单向导电特性二极管的伏安特性关系式：)1(TSUUeII说明二极管是非线性器件qkTU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：TSUUeII反偏时：SII二极管的伏安特性曲线：UBE(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅管UBE(on)=0.25V锗管IS=(10-6~10-8)AUUBE(on)时随着U正向R很小IPN结导通；UUBE(on)时IR很小(IR-IS)反向R很大PN结截止。温度每升高10℃，IS约增加一倍。温度每升高1℃，UBE(on)约减小2.5mV。三、晶体二极管的主要参数1、最大整流电流IF二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压UR工作时加在二极管两端的最大反向电压，通常等于UBR的一半。3、反向电流IR室温下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。4、最高工作频率fM二极管的最高工作频率。画输出信号波形方法根据输入信号大小判断二极管的导通与截止找出UO与Ui关系画输出信号波形。例1：电路如图1-14（a）、（b）所示，已知ui=6sint(V)，图中的二极管D1和D2为二极管是理想的，试画出ui和u0的波形。理想二极管(忽略UBE(on))：若U0，则管子导通；反之截止。实际二极管：若UUBE(on)，管子导通；反之截止。图1.14例1-1电路++16sinut01u3V1D(a)++16sinut01u3V1D(b)2D3V画输出信号波形方法根据输入信号大小判断二极管的导通与截止找出UO与Ui关系画输出信号波形。理想二极管(忽略UBE(on))：若U0，则管子导通；反之截止。实际二极管：若UUBE(on)，管子导通；反之截止。ui/V30-3tui/V30-3tui/V0-3tui/V0-33t1.2.3稳压管UZID(mA)U(V)IZminIZmax+-UZ|U反|=U(BR)时，IR急剧，PN结反向击穿。利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。当反向击穿时，PN结上电流过大，若时间过长而产生过热就会产生热击穿而烧坏管子。为避免此情况，因此要求：IzminIzIzmax稳压二极管的主要参数1、稳定电压UZ:在反向击穿区时的稳定工作电压，UZ是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。2、稳定电流IZ:是使稳压管正常工作时的参考电流，一般说来工作电流较大时稳压性能较好。3、动态内阻rZ:rZ＝ΔU/ΔI，其值越小越好。4、额定功耗PZ:PZ＝UZIZM5、电压的温度系数αU：当稳压管的电流保持不变时，环境温度每变化1oC所引起的稳定电压百分比。使用稳压管组成电路时需注意的几个问题：某原因UOIZI限流电阻R：保证稳压管工作在Izmin~Izmax之间稳压原理：UOURUO=UZ输出电压：D+-+-RRLILUIUOIZI1、应该给稳压管加反偏电压，以保证工作于反向击穿区2、稳压管应与负载电阻并联以使输出电压稳定。3、必须限制流过稳压管的电流IZ，使其不超过规定值，以免因过热而烧坏管子。DZ+-RRLIRLUI=10VIDZ例1-2在图1-17的稳压电管稳压电路中,已知稳压管的稳定电压UZ=6V,最小稳定电流IZmin=10mA,最小稳定电流IZmax=30mA;负载电阻RL=1200欧姆。求限流电阻R的取值范围。作业：P201.2;1.3