半导体基础知识及二极管.ppt

2-1第二章半导体二极管及其基本电路半导体PN结的形成及特性半导体二极管（diode）二极管基本电路及其分析方法特殊二极管2-2§2.1半导体导体容易传导电流的称为导体。如金属。绝缘体几乎不传导电流的称为绝缘体。如橡胶，陶瓷。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间，并且受到外界光和热的刺激或加入微量的杂质时，导电能力将发生显著变化的物质称为半导体。如硅(Si)，锗(Ge)。2-3一、本征半导体本征半导体完全纯净的，结构完整的半导体晶体称为本征半导体。+4+4+4+4+4共价键束缚电子＋4惯性核价电子Ge＋32Si＋14原子核电子轨道价电子(a)(b)(c)图半导体的原子结构示意图（a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型2-4+4+4+4+4+4自由电子空穴挣脱共价键的束缚自由活动的电子空穴自由电子束缚电子成为自由电子后，在共价键中所留的空位。2-5二、杂质半导体杂质半导体电子半导体(Negative)空穴半导体(Positive)加+5价元素磷(P)、砷(As)、锑(Sb)加+3价元素硼(B)、铝(Al)、铟(In)、钙(Ga)2-6元素周期表2-71、电子半导(Negative)——N型半导体+5价元素磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等在硅晶体中给出一个多余电子，故叫施主原子。电子数目=空穴数+正离子数（主要来自杂质）（主要来自本征半导体）（全部来自杂质）多数载流子：电子少数载流子：空穴＋4自由电子＋4＋4＋4＋5＋4＋4＋4＋4施主原子2-82、空穴半导(Positive)——P型半导体+3价元素硼(B)、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)等在硅晶体中接受一个电子，故叫受主原子。空穴数目=电子数+负离子数（主要来自杂质）（主要来自本征半导体）（全部来自杂质）多数载流子：空穴少数载流子：电子＋4＋4＋4＋4＋3＋4＋4＋4＋4受主原子邻近的电子落入受主的空位留下可移动的空穴可移动的空穴受主获得一个电子而形成一个负离子(b)2-9§2.2PN结的形成及特性一、PN结1952年第一个PN结形成。PNPN内电场PN结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: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由杂质离子形成空间电荷区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。2-11二、PN结的单向导电性PN结的单向导电性是其基本特性1、外加正向电压外加电场方向与内电场方向相反PN内电场外电场IF2-122、外加反向电压外加电场方向与内电场方向相同PN内电场外电场ISIS很小，就可以看作PN结在外加反向偏置时呈现出很大的阻值。2-133、PN结的反向击穿PN结的外加反向电压增大到一定的数值时，反向电流会突然增加，这个现象称为PN结的反向击穿。反向击穿热击穿电击穿可利用的，可逆的有害的，易烧坏PN结根据产生击穿的原因可分为：雪崩击穿齐纳击穿外加电场作用产生碰撞电离，形成倍增效应。在杂质浓度特别大的PN结中，外加电场直接破坏共价键，产生电子空穴对。2-144、PN结的V—I特性PN结的V-I特性如图所示vDiDISVBR反向饱和电流反向击穿电压)1(/TDvvDeIsi注:VD为PN结的外加电压,VT为温度的电压当量,约为0.026V,IS为反向饱和电流。e=2.718285、PN结的电容效应1.势垒电容PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！2-16问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？2-17§2.3半导体二极管（diode）半导体二极管就是一个PN结。一、半导体二极管的结构结构不同点接触型面接触型：适用于高频检波和数字电路开关。：适用于整流掺杂质浓度不同对称PN型P+N型PN+型2-18按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管2-19常见二极管外形2-20点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。2-222AP2CP2CZ542CZ132CZ30(c)二极管外形2-23二、二极管的V—I特性0.20.40.60.8O51015－30－U(BR)CC′D′DIRA′AB′B硅锗iV/mAuV/V(A)－5图二极管伏安特性曲线二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小（几乎为零）,这一部分称为死区,相应的A(A′)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图中OA(OA′)段。当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V,如图中AB(A′B′)段。二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流IR,见图中OC（OC′）段。二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压,用UBR表示,如图中CD(C′D′)段。2-24UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。UIE+-反向漏电流（很小，A级）2-25三、二极管的参数1、最大整流电流IF：指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压：VBD=½VBR（VBR为反向击穿电压。）3、极间电容：在高频时要考虑极间电容。势垒电容CB在反向偏置时较大扩散电容CD在正向偏置时较大4、最高工作频率：指二极管能保持单向导电性的最大频率。超过了这个频率二极管就失去了单向导电性。小知识:二极管的简易测试将万用表置于R×100或R×1k(Ω)挡（R×1挡电流太大,用R×10k(Ω)挡电压太高,都易损坏管子）。如图所示表头(a)(b)＋－黑表棒红表棒＋－黑表棒红表棒＋－电池图(a)电阻小；(b)电阻大2-27§2.4二极管基本电路及其分析方法一、四种建模1、理想模型正向偏置时，管压降为0V，反向偏置时，电阻为无穷大。iDvDiD+vD－2、恒压降模型正向偏置时，管压降为恒定,一般为0.7V，反向偏置时，电阻为无穷大。iD+vD－iDvD适用：电源电压二极管压降适用：iD≥1mA2-283、折线模型认为二极管的压降随着电流的增加而增加。可用一个电池和一个电阻近似。电池压降为二极管的门坎电压。DthDDiVvriDvDiD+vD－VthrD适用：需考虑到rD变化时，输入电压不高2-294、小信号模型在静态工作点Q附近工作时，可以将二极管V-I特性看作一条直线，其斜率的倒数就是二极管小信号模型的微变电阻。vDiD△iD△vDDDDdDDDdImVdidvreIsiivrTVDv26)1(/+△vD_△iDrdIDQ适用：二极管仅在V-I特性的某一小范围内工作2-30二、分析方法应用例1电路如图所示，分别用理想模型，恒压降模型和折线模型来求电路的ID和VD。VDD+10V10KΩR解首先标出参考方向+vD_ID1)理想模型VD=0V,ID=VDD/R=1mA2)恒压降模型VD=0.7V,ID=(VDD-VD)/R=0.93mA3）折线模型VKmArIVVmAKVrRVVIKmAVViVVrDDthDDthDDDDthDD69.02.0931.05.0931.0)2.010()5.010(2.015.07.02-31例2设二极管是理想的，分析图中各二极管的导通或截止情况，并求AO两端的电压UAO。+VD-D15VR=3KΩ12VA+O-解分析方法：先将要分析的二极管断开，求VDVD=(-15V)-(-12V)=-3V0所以二极管截止VAO=-12V2-32D1D23V2K5VA+O-解分析方法：如果电路中有两个二极管，则先将不分析的二极管所在的支路断开，再按前面所学的方法分析。但VD1VD2管压降大的管子优先导通,二极管D1先导通从而导致二极管D2截止VAO=0VVD1=5V0所以二极管D1导通VD2=5V-3V=2V0所以二极管D2导通2-33例３设二极管是理想的，分析图中各二极管的导通或截止情况。解分析方法：先将要分析的二极管断开，求VDＢ_++15VＤＡ10V18KO25K140K10K2K5KVVKKVA115)10140(10VVKKVKKVVVOBOB5.315)525(510)218(2因为VBVA所以D截止.2-34图二极管半波整流电路(a)电路；(b)输出波形－UimsintRui＋－uoVDuot0π2π3π(a)(b)＋三、晶体二极管应用电路举例1.整流电路2-352.门电路图二极管门电路a1a2VD1VD2b2b1＋5V5.1kuo(a)＋1V0a1a2Ua1b1＝4Vb2b1＋5V5.1kuo(b)Ua2b2＝5V＋1V03.二极管限幅电路图(a)电路;(b)波形＋10sint(V)VD＋－uo(a)10k－＋－5V0510－5－10uiuouit(b)uo/V2-37§2.5特殊二极管一、稳压二极管二极管可分为：普通二极、稳压管、变容管、光电管、发光管、隧道管、微波管、恒流管等。稳压管又称为齐纳二极管，它的杂质浓度较大，空间电荷区很窄，容易形成强电场。产生反向击穿时反向电流急增。稳压管的稳压作用在于，电流增量很大，只引起很小的电压变化。图中的VZ表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压作用在于，电流增量ΔIZ很大，只引起很小的电压变化ΔVZ。曲线愈陡，动态电阻rz=ΔVZ/ΔIZ愈小，稳压管的稳压性能愈好。一般地说，VZ为8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压的，rZ随齐纳电压的下降迅速增加，因而低压稳压管的稳压性能较差。稳压管的稳定电压VZ，低的为3V，高的可达300V，它的正向压降约为0.6V。并联式稳压电路稳压电路如图所示。该电路能够稳定输出电压，当V1或RL变化时，电路能自动地调整IZ的大小，以改变R上的压降IRR，达到使输出电压V0（VZ）基本恒定的目的。例如，当VI恒定而RL减小时，将产生如下的自动调整过程：RL↓→IO↑→VO↓→IZ↓→IR↓→VO↑图中DZ为稳压管，R为限流电阻的作用是使电路有一个合适的工作状态。因负载RL与稳压管两端并接，故称为并联式稳压电路。2-40二、变容二极管二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。图a为变容二极管的代表符号，图b是变容二极管的特性曲线。不同型号的管子，其电容最大值可能是5~300pF。最大电容与最小电容之比约为5:1。变容二极管在高频技术中应用较多。2-41ak(a)0510152025125102050C/pF(b)－U/V图（a）图形符号;（b）结电