半导体二极管及其应用.ppt

模拟电子技术基础主讲：张薇[e-mail]北方民族大学电气与信息工程学院教材：模拟电子技术基础杨拴科主编高等教育出版社2003.1主要内容1半导体二极管及其应用2晶体管及放大电路基础3场效应管及其放大电路4集成运算放大器5反馈和反馈放大电路6集成运放组成的运算电路7信号检测与处理电路8信号发生器9功率放大电路10直流稳压电源1半导体二极管及其应用了解半导体基础知识；理解PN结的结构与形成；掌握PN结的单向导电性；熟悉二极管和稳压管的V-I特性曲线及其主要参数等。了解特种二极管1.1PN结1.1.1PN结的形成1、半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。电阻率为硅（Si）和锗（Ge）是两种常用的半导体材料特点：四价元素，每个原子最外层有四个价电子cm9310~10GeSi2、本征半导体：化学成分纯净的半导体，其纯度达到99.9999999%，通常称为“9个9”，在物理结构上呈单晶体形态。硅和锗的晶体结构：硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子这种结构如何体现半导体的特性呢？导电机制是什么？3、载流子：可以自由移动的带电离子。当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。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。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，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子自由电子是载流子。空穴也是一种载流子（Why？）。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。可见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。当温度一定时，激发和复合达到动态平衡，即“空穴-电子对”浓度一定。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。4、杂质半导体(1)N型半导体(2)P型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。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。(1）N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。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。+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？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,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。(2)P型半导体本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子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。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。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。杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。小结半导体中有两种载流子，分别是自由电子和空穴。纯净半导体中的载流子主要取决于温度（或光照）。掺杂半导体中的载流子可以分为多子（多数载流子）和少子（少数载流子）。多子取决于掺杂浓度，少子取决于温度（或光照）。P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子，N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。1.1.2PN的单向导电性1、PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++多子扩散运动内电场E少子漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:PN结形成的物理过程：因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区扩散漂移否是宽最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结,在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。2、PN结的单向导电性如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。PN结正偏时a、外加电场使得内电场被消弱，从而加剧了多子扩散；多子向耗尽层的扩散使空间电荷层变窄；b、空间电荷层变窄更有利于多子扩散而抑制少子漂移；c、多子扩散电流称为正向电流（PN），此时称PN结导通；PN结正偏：PN结导通，电阻很小，正向电流较大；PN结反偏时a、外加电场增强内电场，从而阻碍多子扩散而增强了少子的漂移，使得空间电荷层变宽；b、少子漂移电流（NP），称为反向饱和电流；c、反向饱和电流很小，且外加电压超过一定数值时，基本不随电压的增加而增加。PN结反偏：PN结截止，电阻很大，反向电流很小；PN结的电压与电流关系其中D/DS(1)TuUiIeIS——反向饱和电流UT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）0.026VTkTUqmV262、PN结方程正向：D/DSTuUiIe反向：SDIi近似1.2半导体二极管在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。(1)点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。1、半导体二极管的结构(3)平面型二极管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。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(4)二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a2、二极管的伏安特性0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的V-I特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性（1）、正向特性死区电压：硅：0.5V锗：0.1V正常工作时的管压降硅：0.7V锗：0.3V（2）、反向特性反向电流由少子形成，因此反向电流一般很小；小功率硅管：小于1微安；小功率锗管：几十微安；（3）、反向击穿特性反向击穿：外加电压达到一定数值时，在PN结中形成强大的电场，强制产生大量的电子和空穴，使反向电流剧增；①齐纳击穿：所加反向电压使空间电荷区增大，产生较大的电场，拉出共价键中的自由电子而产生较大的电流。当反向电压小于4V时，击穿主要为齐纳击穿。②雪崩击穿：所加反向电压使空间电荷区增大，产生较大的电场，使做漂移的少子运动速度加大，能量加大，碰撞出共价键中的自由电子而产生较大的电流。一个当电压大于6V时，击穿主要为雪崩击穿。发生击穿是否就证明二极管损坏了呢？？？3、半导体二极管的等效模型恒压模型UD二极管的导通压降：硅管0.7V；锗管0.3V。二极管的V—A特性理想二极管模型：正偏反偏小信号模型:在交流小信号模型下将二极管等效于rD,因此可用于分析二极管电路。dTdiUr4、二极管的主要参数额定整流电流IF反向击穿电压U（BR）最高允许反向工作电压UR反向电流IR最高工作频率fM例1-1ui=10sinwt(v)E=5vR=1k欧姆忽略二极管的正向压降和反向电流画出uo的波形（1）uiE时，二极管反向截止，uo=ui;（2）uiE时，二极管正向导通，uo=E;例1-2判断二极管的工作状态。判断方法：正向偏置VAVB；导通；反向偏置VAVB；截止；解题方法：断开二极管2AP1，求VA和VBVA=15×（10/（10+140））=1V；VB=-10×（2/（18+2））+15×（5/（25+5））=1.5V；VAVB，所以，二极管2AP1截止；1.3半导体二极管的应用1.3.1在整流电路中的应用D1、D3导通，D2、D4截止。u2正半周时:tuLtU２1.工作原理u2负半周时：D2、D4导通，D1、D3截止。tUＬu2t-+++++41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4tuLtU２1.3.2在检波中的应用1.3.3限幅电路1.4特种二极管1.4.1硅稳压管PN结击穿后，反向电流急剧增加，但端电压几乎不变，表明击穿后的PN结具有稳压功能，在安全限流条件下，利用二极管的击穿特性制作稳压管。IZminIZmax●UZIZΔUZ１稳压管的伏安特性正向区：相当普通二极管反向区：高阻抗器件反向击穿区：稳压元件稳定电压UZIZmin最小允许电流IZmax最大允许电流2、稳压管的参数（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗maxZZZMIUP（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻ZZIUZr3、稳压原理OUaIRIIUUUU)(ZZOII不稳定OZZ()RUUIIIRLObRLU改4、限流电阻的求法UiUZUDUi：输入电压，UD：稳定输出电压R：限流保护电阻，RL：等效负载3限流电阻值R的确定R必须满足下列关系：（1）当Uimax,IZmax（即RLmax）时，要求IZIZmax,即（Uimax-UZ）／R－UZ/RLmaxIZmax得RZZLZiUIRUUmaxmaxmaxRLmax2)当Uimin和IZmin(即RLmin)时,要求IZIZmin即:RUUZimin-minLZRUIZmin得：RZZ