电子技术基础课件 第三章 半导体二极管及其基本应用电路

主讲：赵宏安2011.9.18物联网专业内容教学要求熟练掌握正确理解一般了解半导体基础知识本征半导体，掺杂半导体√PN结的形成√PN结的单向导电性√半导体二极管二极管的结构及类型√二极管的伏安特性及主要参数√√二极管的应用（整流、检波和限幅）√硅稳压管的伏安特性、主要参数√√硅稳压管稳压电路√1.掌握以下基本概念：半导体材料的特点、载流子、扩散运动、漂移运动；2.了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性、二极管的伏安特性及其电路的分析方法；正确理解半导体二极管的主要参数；3.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。重点1.PN结的单向导电性、PN结的伏安特性；2.二极管的伏安特性、单向导电性及等效电路、二极管的应用；3.稳压管稳压原理及简单稳压电路；难点1.半导体的导电机理、PN结的形成；2.二极管在电路中导通与否的判断、二极管在电路中的具体模型；3.稳压管稳压原理；根据物体导电能力（电阻率）的不同，物质可分为三大类:1.导体(ρ10-1Ω/cm)2.绝缘体(ρ109Ω/cm)3.半导体(10-1Ωρ109Ω/cm)典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等，它们都是4价元素（外层轨道上的电子通常称为价电子），其原子结构模型和简化模型如图2.1.1所示。+14284Si硅原子结构示意图+322818Ge锗原子结构示意图4图2.1.1原子结构示意图+4硅、锗原子的简化模型图2.1.1半导体共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4图2.1.2半导体共价键结构共价键价电子1.半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间2.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。3.在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。纯净的、不含其他杂质的半导体的单晶被称为本征半导体。在室温下，受热（激发）本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子，在原位留下一个空穴，这种产生电子-空穴对的现象称为本征激发。在热力学温度零度（即T=０Ｋ，相当于-273℃）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，因此，晶体中没有自由电子。所以在T=０Ｋ时，本征半导体不能导电，如同绝缘体一样。本征半导体中存在两种载流子（运载电荷的粒子称为载流子Carriers）：带负电的自由电子(electrons)和带正电的空穴(holes)。分别用n和p表示自由电子和空穴的浓度，且有n=p。（动画演示）本征半导体的特点a.电阻率大；b.导电性能随温度升高二变化大。本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征激发产生电子和空穴自由电子空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴成对产生+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴复合，成对消失电子和空穴产生过程动画演示由于共价键出现了空穴，在外加电场或其它的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子又可转移到这个新的空位。这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动方向是相反的。+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在外电场作用下电子运动形成电子电流+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在外电场作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在外电场作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U价电子填补空穴而使空穴移动，形成空穴电流半导体导电机理动画演示本征半导体中虽有两种载流子，但因本征载子浓度很低，导电能力很差。如在本征半导体中掺入某种特定杂质，成为杂质半导体后，其导电性能将发生质的变化。N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、砷）的半导体。P型半导体：掺入三价杂质元素（如硼、镓）的半导体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4掺入少量五价杂质元素磷PN型半导体磷原子+4+4+4+4+4+4+4+4+4PN型半导体多出一个电子出现了一个正离子+4+4+4+4+4+4+4+4PN型半导体++++++++++++++++++++++++++++++++++++半导体中产生了大量的自由电子和正离子N型半导体N型半导体形成过程动画演示因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在Ｎ型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发（本征激发）形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子,因五价杂质原子可以提供电子也称为施主杂质。P型半导体B+4+4+4+4+4+4+4+4+4硼原子+4+4+4+4+4+4+4+4+4BP型半导体出现了一个空位+4+4+4+4+4+4B+4+4P型半导体+4+4+4+4+4+4B+4+4负离子空穴P型半导体------------------------------------半导体中产生了大量的空穴和负离子P型半导体P型半导体的形成过程动画演示因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在Ｐ型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发（本征激发）形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。（如下图）杂质半导体，无论是N型还是P型，从总体上看，仍然保持着电中性。在纯净的半导体中掺杂后，导电性能大大改善。但提高导电能力不是其最终目的。杂质半导体的奇妙之处在于,N、P型半导体可组合制造出各种各样不同性质的半导体器件.二极管由一个特定的PN结(PN-junction)和二引脚构成。2.2.1PN结及其单向导电性通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为ＰＮ结。使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------通过半导体扩散工艺在浓度差的作用下：N区的电子（多子）从N区向P区扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------载流子的运动N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------在浓度差的作用下：P区的空穴（多子）从P区向N区扩散。这是在浓度差的作用下，两边多子互相扩散造成的。结果在P区和N区交界面上留下了一层不能移动的正、负离子。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------即PN结空间电荷层（耗尽区）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------形成内电场内电场方向N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN结的内电场一方面阻碍多子的扩散另一方面加速少子的漂移势垒U0形成电位势垒N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------当扩散与漂移作用平衡时a.流过PN结的净电流为零b.PN结的厚度一定（约几个微米）c.接触电位一定（约零点几伏）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------当N区和P区的掺杂浓度不等时离子密度大空间电荷层较薄离子密度小空间电荷层较厚高掺杂浓度区域，用N+表示++++++______PN+低掺杂浓度区域（动画演示）一、PN结的形成及其内部载流子的运动P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时,因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子，形成空间电荷区（耗尽层）。a)PN结中的载流子有扩散、漂移两种运动模式；b)多子参与扩散运动，由掺杂浓度决定；c)少子参与扩散运动，由温度决定；d)扩散运动形成的内电场，阻止多子的扩散，增强少子的漂移，最终使这两种运动达到平衡；形成PN结。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++EPN结正向偏置二、PN结的单向导电性1）PN结正向偏置：给ＰＮ结加上电压，使电压的正极接P区，负极接N区（称ＰＮ结正向偏置）。内电场被削弱PN结变窄PN结呈现低阻、导通状态多子进行扩散------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++EPN结正偏动画演示由前面演示可见，外电场将推动P区多子（空穴）向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和；N区的多子（电子）向左扩散与原空间电荷区的正离子中和；结果使空间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，其结果使电路中形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时ＰＮ结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。（动画演示）内电场增强PN结变宽PN结呈现高阻、截止状态不利多子扩散有利少子漂移------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E2）ＰＮ结反向偏置：使电压的正极接Ｎ区，负极接Ｐ区（称ＰＮ结反向偏置）。此电流称为反向饱和电流，记为IS。因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎无关。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++EPN结反偏动画演示由前演示可见，当外电场方向与内电场方向一致时，它将N区的多子（电子）从PN结附近拉走，将P区的多子（空穴）从PN结附近拉走，使PN结变厚，呈现出很大的阻值，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以认为PN结截止。（动画演示）综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大，PN结处于导通状态；PN结反向偏置时，反向电流很小，几乎为零，PN结处于截止状态。这就是PN结的单向导电性。在PN结的外面装上管壳,再引出两个电极，就做成了一个二极管。其中阳极从Ｐ区引出，阴极从Ｎ区引出。下图为二极管的图形符号。2.2.2二极管的类型及伏安特性正极负极二极管的符号半导体二极管实物图片：(1)按使用的半导体材料不同分为硅管锗管(2)按结构形式不同分为点接触型平面型二极管的分类特点：ＰＮ结面积小，所以极间电容小，管子允许通过的电流小；可在高频下工作；适用于作高频检波管和数字电路里的开关元件。点接触型引线触丝外壳N型锗片特点：ＰＮ结面积大，极间电容大，允许通过的电流大；适合在较低频率下工作,可用于整流电路。平面型N型硅阳极引线PN结阴极引线金锑合金底座铝合金小球在二极管的两端加上电压uD，然后测出流过二极管的电流iD，电流与电压之间的关系