1半導(dǎo)體二極管 ppt課件

1、第一章第一章半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的特性1.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1.3雙極型三極管雙極型三極管(BJT)1.4場(chǎng)效應(yīng)三極管場(chǎng)效應(yīng)三極管N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +以以N N型半導(dǎo)體為基片型半導(dǎo)體為基片1.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1.2.1PN 結(jié)及其單導(dǎo)游電性結(jié)及其單導(dǎo)游電性?xún)煞N運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)物質(zhì)從濃度

2、高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)物質(zhì)從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)力電場(chǎng)力 的作用下載流子的運(yùn)動(dòng)的作用下載流子的運(yùn)動(dòng)使半導(dǎo)體的一邊構(gòu)成使半導(dǎo)體的一邊構(gòu)成N N型區(qū)，另一邊構(gòu)成型區(qū)，另一邊構(gòu)成P P型區(qū)。型區(qū)。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體分散工藝經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體分散工藝N+ + + + + + + + + + + + + +

3、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -a. 在濃度差的作用下，電子從在濃度差的作用下，電子從 N區(qū)向區(qū)向P區(qū)分散。區(qū)分散。 物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為分散運(yùn)動(dòng)。氣體、液體、固體均有之。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - -

4、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -b. 在濃度差的作用下，空穴從在濃度差的作用下，空穴從 P區(qū)向區(qū)向N區(qū)分散。區(qū)分散。小結(jié)小結(jié)即即PN結(jié)結(jié)空間電荷層空間電荷層N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -耗盡層耗盡層構(gòu)成內(nèi)電場(chǎng)構(gòu)成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)方內(nèi)電場(chǎng)方向向N+ + + + + + + + + +

5、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -勢(shì)壘勢(shì)壘U0構(gòu)成電位勢(shì)壘構(gòu)成電位勢(shì)壘N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -PN結(jié)一

6、方面妨礙多子的分散結(jié)一方面妨礙多子的分散N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -另一方面加速少子的漂移另一方面加速少子的漂移N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - -

7、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -當(dāng)分散與漂移作用平衡時(shí)當(dāng)分散與漂移作用平衡時(shí)a) 流過(guò)流過(guò)PN結(jié)的凈電流為零結(jié)的凈電流為零b) PN結(jié)的厚度一定約幾個(gè)微米結(jié)的厚度一定約幾個(gè)微米c) 接觸電位一定約零點(diǎn)幾伏接觸電位一定約零點(diǎn)幾伏N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 少子因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)

8、稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。少子的漂移運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)的存在空間電荷區(qū)的存在N N區(qū)區(qū)P P區(qū)區(qū)，P P區(qū)區(qū)電電子子穴穴產(chǎn)產(chǎn)生生少少子子漂漂移移：N N區(qū)區(qū)空空阻阻止止多多子子擴(kuò)擴(kuò)散散 無(wú)外電場(chǎng)力作用時(shí)，分散與漂移到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷無(wú)外電場(chǎng)力作用時(shí)，分散與漂移到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)具有一定寬度，構(gòu)成區(qū)具有一定寬度，構(gòu)成PN結(jié)。有電位差結(jié)。有電位差Uho、無(wú)電流。、無(wú)電流。離子密離子密度大度大空間電荷空間電荷層較薄層較薄離子密離子密度小度小空間電荷層空間電荷層較厚較厚高摻雜濃度區(qū)域高摻雜濃度區(qū)域用用N+N+表示表示+_PN+P、N兩區(qū)雜質(zhì)濃度相等兩區(qū)雜質(zhì)濃度相等對(duì)稱(chēng)結(jié)對(duì)稱(chēng)結(jié)P、N兩區(qū)雜質(zhì)濃度

9、不相等兩區(qū)雜質(zhì)濃度不相等不對(duì)稱(chēng)結(jié)不對(duì)稱(chēng)結(jié)PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置 當(dāng)外加直流電壓使當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)結(jié)P型半導(dǎo)體的一型半導(dǎo)體的一端的電位高于端的電位高于N型半導(dǎo)體一端的電位時(shí)，稱(chēng)型半導(dǎo)體一端的電位時(shí)，稱(chēng)PN結(jié)正向偏置，結(jié)正向偏置，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏。簡(jiǎn)稱(chēng)正偏。PN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置 當(dāng)外加直流電壓使當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)結(jié)N型半導(dǎo)體的一型半導(dǎo)體的一端的電位高于端的電位高于P型半導(dǎo)體一端的電位時(shí)，稱(chēng)型半導(dǎo)體一端的電位時(shí)，稱(chēng)PN結(jié)反向偏置，結(jié)反向偏置，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - -

10、- - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE內(nèi)內(nèi)+ + + + + + +EPN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置1. PN 結(jié)外加正向電壓結(jié)外加正向電壓內(nèi)電場(chǎng)被減弱內(nèi)電場(chǎng)被減弱PN結(jié)變窄結(jié)變窄PN結(jié)呈現(xiàn)低阻、導(dǎo)通形狀結(jié)呈現(xiàn)低阻、導(dǎo)通形狀多子進(jìn)展分散多子進(jìn)展分散- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + +

11、+ + + + + + + +RSE內(nèi)內(nèi)+ + + + + + +E內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)PN結(jié)變寬結(jié)變寬PN結(jié)呈現(xiàn)高結(jié)呈現(xiàn)高阻、截止形狀阻、截止形狀不利多子分散不利多子分散有利少子漂移有利少子漂移- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE內(nèi)內(nèi)+ + + + + + +E2. PN 外加反向電壓外加反向電壓 在一定的溫度條在一定的溫度條件下，少子的濃度根件下，

12、少子的濃度根本不變，反向電流幾本不變，反向電流幾乎與外加反向電壓的乎與外加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，故稱(chēng)為反大小無(wú)關(guān)，故稱(chēng)為反向飽和電流向飽和電流IS。PN結(jié)的單導(dǎo)游電性結(jié)的單導(dǎo)游電性PN 結(jié)的單導(dǎo)游電性：正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大結(jié)的單導(dǎo)游電性：正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。反偏截止，電阻很大，電流近似為零。IS PN結(jié)反向飽和電流結(jié)反向飽和電流UT 熱電壓熱電壓式中式中UT =KT /qq 電子電量電子電量T 絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度在室溫在室溫T=300K)T=300K)時(shí)，時(shí)，UT 26mVUT 26mV。K 玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù)其中其中3 PN結(jié)的電壓與電

13、流關(guān)系結(jié)的電壓與電流關(guān)系) 1() 1(TUuSkTquSeIeIiTUuSeIi SIi4 PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性)1e(S TUuIi5 PN結(jié)的擊穿結(jié)的擊穿6 PN結(jié)的電容結(jié)的電容(2) 分散電容分散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在分散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過(guò)程，其等效電容稱(chēng)為分散電容Cd。dbjCCC結(jié)電容：結(jié)電容： 結(jié)電容不是常量！假設(shè)PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，那么失去單導(dǎo)游電性！Cb 和和 Cd 值都很小，通常為幾個(gè)皮法值都很小，通常為幾個(gè)皮法 幾十皮法，有幾十皮法，有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法

14、。 一、二極管的組成一、二極管的組成PN 結(jié)結(jié) + 引線(xiàn)引線(xiàn) + 管殼管殼 = 二極管二極管(Diode)類(lèi)類(lèi)型型按資料分：按資料分：按構(gòu)造分：按構(gòu)造分：普通二極管、整流二極管、開(kāi)關(guān)普通二極管、整流二極管、開(kāi)關(guān)二極管、穩(wěn)壓二極管等二極管、穩(wěn)壓二極管等硅管、鍺管硅管、鍺管點(diǎn)接觸型、面接觸型、硅平面型點(diǎn)接觸型、面接觸型、硅平面型按用途分：按用途分：構(gòu)成：構(gòu)成：符號(hào)：符號(hào)：(anode)(anode)(cathode)(cathode)1.2.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性 點(diǎn)接觸型：結(jié)面點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最結(jié)允許的電流小，最高任務(wù)頻率高，適用高任

15、務(wù)頻率高，適用于高頻電路的檢波或于高頻電路的檢波或小電流的整流。小電流的整流。 面接觸型：結(jié)面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，故結(jié)允許的電流大，最高任務(wù)頻率低，最高任務(wù)頻率低，適用于低頻電路整適用于低頻電路整流。流。 平面型：結(jié)面積平面型：結(jié)面積可小、可大，小的可小、可大，小的任務(wù)頻率高，大的任務(wù)頻率高，大的結(jié)允許的電流大。結(jié)允許的電流大。結(jié)面積大的可以用結(jié)面積大的可以用于大功率整流；結(jié)于大功率整流；結(jié)面積小的，適用于面積小的，適用于脈沖數(shù)字電路，作脈沖數(shù)字電路，作為開(kāi)關(guān)管運(yùn)用。為開(kāi)關(guān)管運(yùn)用。將將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就

16、構(gòu)成了二極管。小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管a. 近似呈現(xiàn)為指數(shù)曲線(xiàn)，即近似呈現(xiàn)為指數(shù)曲線(xiàn)，即TUuIiDeSDb. 有死區(qū)有死區(qū)iD0的區(qū)域的區(qū)域)(1) 正向特性正向特性死區(qū)電壓約為死區(qū)電壓約為硅管硅管0.5 V0.5 V鍺管鍺管0.1 V0.1 VOiD正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓U ( BR)反向特性反向特性u(píng)D) 1(TDUuDIieS使二極管開(kāi)場(chǎng)導(dǎo)通的電壓使二極管開(kāi)場(chǎng)導(dǎo)通的電壓Uon或或Uth稱(chēng)為開(kāi)啟電壓、閾值電壓或死區(qū)電稱(chēng)為開(kāi)啟電壓、閾值電壓或死區(qū)電壓。壓。二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性u(píng)Di

17、D在二極管的兩端加上電壓，丈量流過(guò)管在二極管的兩端加上電壓，丈量流過(guò)管子的電流，子的電流，I = f (U )之間的關(guān)系曲線(xiàn)。之間的關(guān)系曲線(xiàn)。c. 導(dǎo)通后即導(dǎo)通后即uD大于死區(qū)電壓后大于死區(qū)電壓后TTUuUiUIdudiTDSDD1eD管壓降管壓降uD 約為約為硅管硅管0.50 .8 V鍺管鍺管0.10.3 V通常近似取通常近似取uD 硅管硅管0.7 V鍺管鍺管0.2 VOiD正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓U ( BR)反向特性反向特性u(píng)D即即 uD略有升高，略有升高， iD急劇增大。急劇增大。) 1(TDUuDIieS二極管導(dǎo)通后電壓到一定值后不再添加并堅(jiān)二極管導(dǎo)通后電壓到

18、一定值后不再添加并堅(jiān)持不變，該電壓值稱(chēng)為導(dǎo)通電壓持不變，該電壓值稱(chēng)為導(dǎo)通電壓uD。(2) 反向特性反向特性 IS=硅管小于硅管小于1 1微安微安鍺管幾十到幾百微安鍺管幾十到幾百微安OiD正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓U ( BR)反向特性反向特性u(píng)D(BR)DUua. 當(dāng)當(dāng)SDIi時(shí)，時(shí)，。b. 當(dāng)當(dāng)(BR)DUu時(shí)，時(shí)，反向電流急劇增大，反向電流急劇增大，二極管發(fā)生反向擊穿。二極管發(fā)生反向擊穿。3 溫度對(duì)半導(dǎo)體二極管特性的影響溫度對(duì)半導(dǎo)體二極管特性的影響(1) 當(dāng)溫度上升時(shí)，死區(qū)電壓、正向管壓降降低。當(dāng)溫度上升時(shí)，死區(qū)電壓、正向管壓降降低。uD/ uD/ T = T = 2

19、2.522.5mV/ mV/ C C(2) 溫度升高，反向飽和電流增大。溫度升高，反向飽和電流增大。)(2)(0S10S0TITITT 即即 溫度每升高溫度每升高1 1C C，管壓降降低，管壓降降低22.522.5mVmV。即即 平均溫度每升高平均溫度每升高1010C C，反向飽和電流增大一倍。，反向飽和電流增大一倍。從二極管的伏安特性可以反映出：從二極管的伏安特性可以反映出： 1. 單導(dǎo)游電性單導(dǎo)游電性。，則則若若反反向向電電壓壓；，則則若若正正向向電電壓壓STSTTeIiUuIiUuUu )1e (TS UuIi2. 伏安特性受溫度影響伏安特性受溫度影響T在電流不變情況下管壓降在電流不變情

20、況下管壓降u 反向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) T正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移正向特性為正向特性為指數(shù)曲線(xiàn)指數(shù)曲線(xiàn)反向特性為橫軸的平行線(xiàn)反向特性為橫軸的平行線(xiàn) 非線(xiàn)性的伏安特性給我們的分析、設(shè)計(jì)帶來(lái)不便，可根據(jù)二極非線(xiàn)性的伏安特性給我們的分析、設(shè)計(jì)帶來(lái)不便，可根據(jù)二極管的實(shí)踐任務(wù)形狀建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀９艿膶?shí)踐任務(wù)形狀建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀?物理模型物理模型準(zhǔn)確卻復(fù)雜，需計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)準(zhǔn)確卻復(fù)雜，需計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì) 近似模型近似模型近似卻簡(jiǎn)單近似卻簡(jiǎn)單二、二極管的等效電路模型二、二極管的等效電路模型RUVIDRrUVIDD例：例：RVI DTDDdIUiur根據(jù)

21、電流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。 當(dāng)二極管在靜態(tài)根底上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，那么可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流靜態(tài)電流2. 微變等效電路微變等效電路1.2.3二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1. 最大整流電流最大整流電流 IF 二極管長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，允許經(jīng)過(guò)的最大正向平均電流。二極管長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，允許經(jīng)過(guò)的最大正向平均電流。2. 最高反向任務(wù)電壓最高反向任務(wù)電壓 UR任務(wù)時(shí)允許加在二極管兩端的反向電壓值。通常將擊穿任務(wù)時(shí)允許加在二極管兩端的反向電壓值。通常將擊穿電壓電壓 UBR 的一半定義為的一半定義

22、為 UR 。3. 反向電流反向電流 IR通常希望通常希望 IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4. 最高任務(wù)頻率最高任務(wù)頻率 fMfM 值主要值主要 決議于決議于 PN 結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，二結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，二極管允許的最高任務(wù)頻率愈低。極管允許的最高任務(wù)頻率愈低。半導(dǎo)體二極管的運(yùn)用半導(dǎo)體二極管的運(yùn)用1. 在整流電路中的運(yùn)用在整流電路中的運(yùn)用整流整流 將交流電變成直流電的過(guò)程將交流電變成直流電的過(guò)程整流電路整流電路 完成整流功能的電路完成整流功能的電路2. 在檢波電路中的運(yùn)用無(wú)線(xiàn)通訊在檢波電路中的運(yùn)用無(wú)線(xiàn)通訊3. 限幅電路限幅電路 1.2.5穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流符號(hào)符號(hào):任務(wù)條件：反向擊穿任務(wù)條件：反向擊穿普通運(yùn)用于穩(wěn)壓電源和限幅電路中。普通運(yùn)用于穩(wěn)壓電源和限幅電路中。陽(yáng)極陽(yáng)極陰極陰極2、主要參數(shù)、主要參數(shù)(1). 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ 流過(guò)規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。流過(guò)規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。(2). 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ 使穩(wěn)壓管正常任務(wù)時(shí)的