二極體的物理性質(zhì)及特性

1、第第2章二極體的物理性質(zhì)及特性章二極體的物理性質(zhì)及特性2-1自由電子與電洞自由電子與電洞2-2P型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體2-3P-N接面二極體接面二極體2-4二極體的二極體的V-I特性曲線特性曲線2-5理想二極體與簡(jiǎn)化二極體模型理想二極體與簡(jiǎn)化二極體模型2-6稽納二極體稽納二極體2-7發(fā)光二極體發(fā)光二極體總目錄總目錄節(jié)目錄節(jié)目錄2-1自由電子與電洞自由電子與電洞1.原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)（原子不帶電呈電中性）原子核（帶正電）原子核外質(zhì)子（帶正電）中子（不帶電、中性）電子（帶負(fù)電）繞原子核外之軌道運(yùn)行2.電子軌道的電子排列：每一能層所能容納的最大滿額電子數(shù)為，其中 n 表示該能層的層數(shù)。

2、22n3. 矽（矽（Si）與鍺（）與鍺（Ge）的原子結(jié)構(gòu)）的原子結(jié)構(gòu)節(jié)目錄節(jié)目錄KLMN矽（14）284鍺（32）28184層次半導(dǎo)體(1)矽與鍺為最主要的半導(dǎo)體材料。(2)矽的原子序數(shù)為14，鍺的原子序數(shù)為32。(3)矽與鍺最外層之電子數(shù)目都是4個(gè)，為四價(jià)元素。節(jié)目錄節(jié)目錄4.電子電洞對(duì)電子電洞對(duì)節(jié)目錄節(jié)目錄(1)在絕對(duì)零度0K時(shí)，晶體的作用有如一絕緣 體。(2)電子由價(jià)帶進(jìn)入傳導(dǎo)帶所需的能量，鍺約 為0.7eV，矽約為1.1eV。-19-19(3) 1eV=1.6 101=1.6 10庫(kù)侖伏特焦耳。節(jié)目錄節(jié)目錄5.電子與電洞之移動(dòng)電子與電洞之移動(dòng)節(jié)目錄節(jié)目錄(1)圖中，一個(gè)圓圈加一點(diǎn)者代表

3、一完整的共價(jià)鍵，而空?qǐng)A 圈代表一個(gè)電洞。(2)在本質(zhì)半導(dǎo)體中，電子載子的濃度與電洞載子的濃度相 等。i(3) : n=p=n公式innp：本質(zhì)濃度：自由電子濃度：電洞濃度2-2P型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1.P型材料型材料節(jié)目錄節(jié)目錄(1)摻入雜質(zhì)（三價(jià)元素）：硼（B）、鋁（Al）、 鎵（Ga）、銦（In）等。(2)受體：雜質(zhì)原子接受電子而促使電洞的活動(dòng)。(3)電性：中性。(4)多數(shù)載子：電洞；少數(shù)載子：自由電子。(5)公式： 自由負(fù)電荷濃度與正電荷濃度之乘積，在 熱平衡下，與摻入之雜質(zhì)無(wú)關(guān)，而為一定值。2ippn= n ppnpp節(jié)目錄節(jié)目錄節(jié)目錄節(jié)目錄2.N型材料型材料(1)摻

4、入雜質(zhì)（五價(jià)元素）：磷（P）、砷 （As）、銻（Sb）等。(2)施體：雜質(zhì)原子含有多餘的自由電子， 意即能夠施予電子。(3)電性：中性。(4)多數(shù)載子：自由電子；少數(shù)載子：電洞。(5)公式：2innn= n pnnnp在熱平衡下，自由負(fù)電荷濃度和正電荷濃度之乘積為定值。節(jié)目錄節(jié)目錄3.N型與型與P型之特性比較型之特性比較節(jié)目錄節(jié)目錄2-3P-N接面二極體接面二極體1.二極體之構(gòu)造節(jié)目錄節(jié)目錄(1)：電洞；：電子； ：施體離子；：受體離子。(2)離子固定於晶體格中，不可移動(dòng)。(3)施體離子釋放出電子帶正電 受體離子吸收電子帶負(fù)電節(jié)目錄節(jié)目錄2.二極體之符號(hào)二極體之符號(hào)節(jié)目錄節(jié)目錄(1)黑點(diǎn)或黑帶

5、的標(biāo)記通常指的是陰極。(2)陽(yáng)極較高或正的電位；陰極較低或負(fù) 的電位。(3)體積愈大，愈能承受較大的散逸功率。節(jié)目錄節(jié)目錄3.PN接面工作的情形接面工作的情形(1)未加偏壓的情形節(jié)目錄節(jié)目錄接面兩端的電子與電洞雖互有擴(kuò)散，但其作用相互抵消，| I |0?？辗^(qū)域：沒(méi)有自由電子和電洞，有正、負(fù)離子。障壁電壓：P區(qū)（負(fù)離子）與N區(qū)（正離子）所形成之電位，鍺約為0.20.3V，矽約為0.60.7V。公式：空乏區(qū)域中，正電荷總量必須等於負(fù)電荷總量。DnApDnApeAN W = eAN WN W = N W節(jié)目錄節(jié)目錄(2)逆向偏壓的情形節(jié)目錄節(jié)目錄逆向偏壓：P接負(fù)電壓，N接正電壓。影響：空乏區(qū)寬度變

6、寬，障壁電勢(shì)增加。逆向飽和電流：逆向偏壓所存在的電流。SI節(jié)目錄節(jié)目錄(3)順向偏壓的情形節(jié)目錄節(jié)目錄順向偏壓：P接正電壓，N接負(fù)電壓。影響：空乏區(qū)寬度變窄，障壁電勢(shì)減少。順向電流：隨順向偏壓的增加而加大。DI節(jié)目錄節(jié)目錄2-4二極體的二極體的V-I特性曲線特性曲線節(jié)目錄節(jié)目錄1.順向偏壓順向偏壓(1)動(dòng)作原理：DDDkDV = 0I= 0V VI（障壁電勢(shì)）迅速的上升（指數(shù)型）TvvS(2)I = I (e1)公式：SII= A= nAee = 2.718V=1 = 2：二極體的電流：二極體逆向飽和電流（鍺，矽）：自然對(duì)數(shù)的底數(shù)（）：二極體兩端所加的電壓：實(shí)驗(yàn)常數(shù)（鍺質(zhì)，矽質(zhì)）節(jié)目錄節(jié)目錄-

7、23-23oT-19oTkBoltzmans constant =1.38 10KkT1.38 10TT275K+27 CV =V=26mVq1.6 101160011600273K+22 C295KV =25mV1160011600：波茲曼常數(shù)（）焦耳（），或者(3)二極體之V-I特性曲線為一非線性特性。節(jié)目錄節(jié)目錄2.逆向偏壓及崩潰區(qū)Z(3)V50 40V250V崩潰電壓 ：鍺二極體約在之間，矽二極體則大於。S(1)InAA逆向飽和電流 ：由少數(shù)載子組成（矽約為數(shù)個(gè)，鍺約為數(shù)個(gè)）。(2)若將逆向偏壓增加到某一數(shù)值時(shí)，電流急速增加，二極體將處?kù)赌嫦虮罎顟B(tài)。逆向崩潰狀態(tài)累增效應(yīng)：碰撞引起?；?/p>

8、納效應(yīng)：強(qiáng)電場(chǎng)引起。節(jié)目錄節(jié)目錄3.溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)節(jié)目錄節(jié)目錄(1)障壁電壓oo1mV/ C2.5mV/ C鍺二極體：矽二極體：SS(2)I10 C I2逆向飽和電流 ：溫度每升高時(shí)，將增加為原來(lái)的 倍。21TT10S2S1S11S22I =I2ITIT公式：溫度為 時(shí)之逆向飽和電流：溫度為時(shí)之逆向飽和電流(3)溫度上限oooo 150 C 200 C 75 C 100 C矽：鍺：節(jié)目錄節(jié)目錄4.電容效應(yīng)電容效應(yīng)節(jié)目錄節(jié)目錄(1)PN接合面的空乏區(qū)相當(dāng)於電介質(zhì)，P型區(qū)及N型區(qū)相當(dāng)於兩個(gè)電極。T(2)CAC=d過(guò)渡電容 ：公式：當(dāng)逆壓愈大時(shí)，空乏區(qū)寬度d變大，電容量C則降低，C與外加逆向偏壓成

9、反比。DDTD(3)CIC =VC擴(kuò)散電容 ：公式： 與順向電流成正比。節(jié)目錄節(jié)目錄5.電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)BffBff1 0.30.7rII1 0.70.3rII鍺二極體矽二極體(1)分布電阻（外加順壓1V）DdcDDDVR =IVI：外加電壓：產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)直流電流(2)靜態(tài)電阻（或稱直流電阻）：(3)動(dòng)態(tài)電阻（或稱交流電阻）：ddacddDVrrIdV26mVrdII (mA)公式：節(jié)目錄節(jié)目錄6.矽與鍺二極體之特性比較矽與鍺二極體之特性比較節(jié)目錄節(jié)目錄2-5理想二極體與簡(jiǎn)化理想二極體與簡(jiǎn)化 二極體模型二極體模型1.理想二極體理想二極體節(jié)目錄節(jié)目錄(1)(2) fffrrrV順向電阻：R =0短

10、路IV逆向電阻：R =斷路I節(jié)目錄節(jié)目錄2.定值電壓模型（含障壁電壓）定值電壓模型（含障壁電壓）節(jié)目錄節(jié)目錄foo(1)V0VVV二極體在順向偏壓時(shí)，由於空乏區(qū)內(nèi)存在一電位障內(nèi)建電壓（障壁電壓），故順向電壓並非即可導(dǎo)電。(2)二極體在順向偏壓大於時(shí)可視為導(dǎo)通，小於或逆向偏壓時(shí)是截止的。(3)定值電壓模型是考慮了障壁電壓，忽略了順向內(nèi)阻。節(jié)目錄節(jié)目錄3.片斷線性模型（含障壁電壓及順向內(nèi)阻）片斷線性模型（含障壁電壓及順向內(nèi)阻）節(jié)目錄節(jié)目錄(1)在順向特性曲線上，利用直的線段來(lái)近似於二極體的特性曲線。f(2)1VI10mA如果在時(shí)，則acr 值acac1 0.7r3010mA1 0.3r7010mA

11、矽二極體鍺二極體節(jié)目錄節(jié)目錄2-6稽納二極體稽納二極體1. 稽納二極體的符號(hào)與等效電路稽納二極體的符號(hào)與等效電路節(jié)目錄節(jié)目錄(2)摻雜之濃度增加時(shí)，稽納電位將隨之降低。(3)工作於逆向崩潰區(qū)，供穩(wěn)壓用。5(1)10 1本質(zhì)與雜質(zhì)之摻雜濃度比約為： 。ZZZV=I(4)r動(dòng)態(tài)電阻：節(jié)目錄節(jié)目錄2.稽納二極體特性稽納二極體特性節(jié)目錄節(jié)目錄節(jié)目錄節(jié)目錄cZcZZZcZZ10(4) TTVTVVVT100%100%V TVTT表示溫度變化，值將增加，值將減少。公式：（）ZKZM(2)II工作電流需保持在和之間。(1)特性順向偏壓：與一般二極體相同。ZZZVIV逆向偏壓：達(dá)到時(shí)將產(chǎn)生崩潰現(xiàn)象， 急速增加

12、，幾乎固定。(3)崩潰方式ZZV 6V稽納崩潰：時(shí)，電場(chǎng)效應(yīng)。累增崩潰：時(shí)，熱效應(yīng)。3.稽納二極體的應(yīng)用稽納二極體的應(yīng)用(1)負(fù)載變動(dòng)的電壓調(diào)整節(jié)目錄節(jié)目錄L(min)L(min)LRRR：任何大於的電阻值，都可以保證稽納二極體導(dǎo)通。LiLzLSzLSLiSzLizSzL(min)izR VV = V =R +RV R +R= R VR V = RVVR VR=VV（）（）節(jié)目錄節(jié)目錄L(max)R求法：節(jié)目錄節(jié)目錄LZL(max)LL(min)RSiZRSRSSZRSLL(min)RSZMZL(max)L(min)VVI=RRV =VVVI=RI =III=IIVR=I節(jié)目錄節(jié)目錄(2)輸入

13、電壓變動(dòng)的輸出電壓調(diào)整LiLZLSLSZi(min)LiZMZMRSLRS(max)ZMLi(max)RS(max)ZRS(max)SZR VV =V =R +RR +RVV=RVII=III=I+IV=V+V=IR +V（）的最大值受到最大稽納電流限制，由於節(jié)目錄節(jié)目錄2-7發(fā)光二極體發(fā)光二極體1.LED之電路符號(hào)、偏壓安排及電發(fā)光過(guò)程之電路符號(hào)、偏壓安排及電發(fā)光過(guò)程節(jié)目錄節(jié)目錄(1)在順偏的P-N接合面，在靠近接面處會(huì)發(fā)生電子與電洞的復(fù)合作用，使自由電子所具有的能量轉(zhuǎn)變成熱能或光子的形式放射出來(lái)。(2)材料：磷砷化鎵（GaAsP）或磷化鎵（GaP）。節(jié)目錄節(jié)目錄2.LED典型的特性曲線（一）典型的特性曲線（一）節(jié)目錄節(jié)目錄(1)圖(a)中，LED有較大的電壓（約為1.73.3V）。(2)圖(b)中，LED的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度與順向電流成正比關(guān)係。(3)圖(c)中，在某一特定頻率下脈波寬度愈寬時(shí)，容許的峰值電流愈低。oV圖2-35LED典型的特性曲線（續(xù)）節(jié)目錄節(jié)目錄3.LED典型的特性曲線（二）典型的特性曲線（二）節(jié)目錄節(jié)目錄圖2-35LED典型的特性曲線（續(xù)）(1)圖(d)中，顯示出LED的發(fā)光強(qiáng)度在0（或正前方）時(shí)強(qiáng)度最大，在90（從側(cè)面看）時(shí)強(qiáng)度最小。(2)圖(e)中，為一典型紅色LED的光輸出與波長(zhǎng)。(3)圖(f)中，為紅外線