您好,欢迎访问三七文档
下一页总目录章目录返回上一页第1章半导体二极管及其基本电路授课教师:季顺宁下一页总目录章目录返回上一页本章主要内容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.半导体二极管的几种常用等效电路及其应用;5.简介几种特殊二极管(除“稳压管”外均作为一般了解内容)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1.4二极管基本电路及其分析方法1.5特殊二极管返回1.2PN结的形成及特性下一页总目录章目录返回上一页1.1半导体的基本知识在自然界中,根据物质导电能力的差别,可将它们划分为导体、绝缘体和半导体。如:金属如:橡胶、陶瓷、塑料和石英等等返回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。所谓本征激发,就是由于随机热振动致使共价键被打破而产生电子—空穴对的过程。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型半导体少子浓度——只与温度有关多子浓度——主要受掺入杂质浓度的影响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PN结加反向电压时截止动画演示内外电场方向相同,故势垒升高,有利于漂移运动的进行。下一页总目录章目录返回上一页归纳: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。在于它的耗尽层的存在,且其宽度随外加电压而变化。关键这就是PN结的单向导电性。下一页总目录章目录返回上一页3.PN结V-I特性的表达式(以硅二极管PN结为例)【可参见教材P37图2.2.5】iD/mAVBRvD/ViD=-IS)1(TDVvSDeIi+-+-式中:iD:通过PN结的电流;vD:PN结两端的外加电压;VT:温度的电压当量,在常温(300K)下,VT≈26mV(※);IS:反向饱和电流IFIR(μA)下一页总目录章目录返回上一页3.PN结V-I特性的表达式(以硅二极管PN结为例)【可参见教材P37图2.2.5】iD/mAVBRvD/ViD=-IS)1(TDVvSDeIi+-+-IFIR(μA)当加正向电压时:vD为正值,表达式等效成:TDVSDIvei当加反向电压时:vD为负值,表达式等效成:SDIi常数指数关系下一页总目录章目录返回上一页3.PN结V-I特性的表达式(以硅二极管PN结为例)【可参见教材P37图2.2.5】iD/mAVBRvD/ViD=-IS)1(TDVvSDeIi+-+-IFIR(μA)PN结的反向击穿:反向击穿电压反向击穿电击穿热击穿雪崩击穿齐纳击穿可逆不可逆下一页总目录章目录返回上一页1.3半导体二极管一.半导体二极管的结构1.二极管的几种常见外形返回下一页总目录章目录返回上一页2.二极管的几种常见结构【可参见教材P39图2.3.1】二极管的符号(a)点接触型(b)面接触型(c)集成电路中的平面型ak【Anode】【Cathode】下一页总目录章目录返回上一页几种常见二极管实物图触发二极管开关二极管下一页总目录章目录返回上一页3.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: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代表三极管下一页总目录章目录返回上一页二.二极管的V-I特性VthV(BR)vD/ViD/mAiD/μA硅管约为0.5V锗管约为0.1V它的大小与二极管的材料及温度等因素有关。两点说明:①关于死区电压门槛电压(或称死区电压)(或称开启电压)下一页总目录章目录返回上一页VthV(BR)vD/ViD/mAiD/μA二.二极管的V-I特性两点说明:①关于死区电压②与温度的关系在环境温度升高时,二极管的正向特性曲线将左移,反向特性曲线下移。二极管的特性对温度很敏感。下一页总目录章目录返回上一页1.IF:最大整流电流三.二极管的参数指二极管长期运行时,允许通过的最大正向平均电流。2.VBR:反向击穿电压指管子反向击穿时的电压值。一般手册上给出的最大反向工作电压约为VBR的一半。下一页总目录章目录返回上一页三.二极管的参数指管子未击穿时的反向电流。其值愈小,则管子的单向导电性愈好。温度对它影响很大,使用时应注意。4.极间电容(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD3.IR:反向电流低频或中频信号时二极管极间电容作用不予考虑;高频信号时才考虑作用。下一页总目录章目录返回上一页1.4二极管基本电路及其分析方法1.理想模型iD
本文标题:1半导体二极管
链接地址:https://www.777doc.com/doc-3410497 .html