模擬第1章半導體二極管及其應用

1、模擬第1章半導體二極管及其應用1.1.1 半導體的導電特性 一、半導體： 導電性能介于導體與絕緣體之間的物質。 單質半導體：碳(C)、硅(Si)、鍺(Ge) 化合物半導體：磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵等本征半導體：99.9999999% 純度的具有晶體結構的半導體 “九個九”物質按照其原子排列特點可分為：（晶體：原子、分子完全按照嚴格的周期性重復排列的物質稱為晶體，原子呈無序排列的叫做非晶體，介于這兩者之間的叫做準晶體。） 晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，稱為晶格。大多數(shù)半導體器件所用主要材料是硅和鍺2化學元素周期表3鉆石結構從本征Si結構上分析其導電性硅晶體的立體結構共價鍵（Cova

2、lence Bond）4在本征半導體中，由于晶體中共價鍵的結合力很強，經過研究發(fā)現(xiàn)在熱力學溫度零度（即T = 0 K ）時，價電子的能量不足以掙脫共價鍵的束縛，晶體中不存在能夠導電的載流子，半導體不能導電，如同絕緣體一樣。5圖1.1.1 本征半導體平面結構示意圖6本征激發(fā)和復合的過程7本征半導體的激發(fā)與復合激發(fā)：半導體受外界因素(例如溫度、光照、電場等)的影響， 產生“電子空穴對”的過程。復合：電子空穴對消失的過程。特點：a. 激發(fā)形成兩種載流子：自由電子與空穴。b. 自由電子數(shù) = 空穴數(shù)。c. 兩種載流子參加導電。d. 導電性能與激發(fā)因素(溫度、光照）有很大關系。8圖1.1.3 N型半導體

3、二、雜質半導體導電能力的可控性通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合適的雜質元素,得到雜質半導體。N型半導體在本征半導體中摻入5價P元素，形成N型半導體。特點：自由電子的數(shù)目遠遠大于空穴的數(shù)目，稱為多子；空穴稱為少子。9在本征半導體中摻入3價B元素，形成P型半導體。特點：空穴的數(shù)目遠遠大于自由電子的數(shù)目，稱為多子；自由電子稱為少子。P型半導體圖1.1.4 P型半導體10在雜質半導體中：雜質濃度不應破壞半導體的晶體結構，多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入雜質的濃度；而少數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度。雜質半導體的優(yōu)點：摻入不同性質、不同濃度的雜質，可控制它的導電性能。另外光照、溫度等外界因素也可以改變

4、其導電性能。這就是為什么選半導體作為制作晶體管材料的原因?？偨Y11 硅多用于制造敏感元件，例如光敏電阻、熱敏電阻等，可以把非電物理量（例如光照強度、溫度）轉換為電量（例如電阻、電壓、電流）。光敏電阻的應用舉例傻瓜相機12小 結 本講主要介紹了下列半導體的基本概念： 本征半導體 激發(fā)、復合、空穴、載流子 雜質半導體 P型半導體和N型半導體131.1.2 PN結及其單向導電性一、 PN結的形成二、 PN結的單向導電性14一、 PN結的形成 在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程: 因濃度差 多子的擴散運動由

5、雜質離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內電場 內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散 15 最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于 P型半導體和N型 半導體結合面， 離子薄層形成的 空間電荷區(qū)稱為 PN結。在空間電 荷區(qū)，由于缺少 多子，所以也稱 耗盡層。 圖01.06 PN結的形成過程 （動畫1-1） PN 結形成的過程可參閱右圖16二、 PN結的單向導電性 如果外加電壓使PN結中： P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏； P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。 17、 PN結加正向電壓時的導電情況 外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場

6、方向相反，削弱了內電場。于是,內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結導通呈現(xiàn)低阻性。 PN結加正向電壓時的導電情況如下圖所示。 （動畫1-2）PN結加正向電壓時的導電情況18 、 PN結加反向電壓時的導電情況 外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結截止呈現(xiàn)高電阻性。 PN結加反向電壓時的導電情況如下頁圖所示。PN結加反向電壓時的導電情況 在一定的溫度條件下，由本

7、征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。 19 PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電特性。 （動畫1-3）PN結加反向電壓時的導電情況20PN結單向導電性的特點正向導通、反向截止；正向電阻小、反向電阻大；正向電流大、反向電流??； 導通電壓Von硅材料為0.60.8V左右；鍺材料為0.20.3V左右。211.2 半導體二極管二極管的結構類型二極管的伏安特性1.2.3 二極管的參數(shù)1.2.4 二極管的應用22

8、二極管實物照片1.2.1 二極管的結構類型二極管形成 在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管23(1) 點接觸型二極管 PN結面積小，結電容小，只允許流過幾十毫安電流，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型 二極管按材料分：硅二極管和鍺二極管。按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結構示意圖如下所示。二極管分類24(c)平面型(3) 平面型二極管 往往用于集成電路制造工藝中。PN 結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。電流較大。(2) 面接觸型二極管 PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。電流可達幾安到幾十安。(b)面接觸型(d)二極管的符號k陰極陽極a(4) 二極管的符

9、號二極管的結構示意圖25302010I/mAUD/V0.5 1.0 1.5 20 1024-I/O正向特性反向特性+-UDI1.2.2 二極管的伏安特性及等效電路一、二極管的伏安特性圖1.2.2二極管的伏安特性26當正向電壓超過死區(qū)電壓后，二極管導通,電流與電壓關系近似指數(shù)關系。硅二極管為0.7 V左右鍺二極管為0.2 V左右死區(qū)電壓正向特性0.5 1.0 1.5102030U/VI/mA0 二極管正向特性曲線硅二極管為0.5 V左右鍺二極管為0.1 V左右死區(qū)電壓：導通壓降： 正向特性27IS反向特性UBR結論：二極管具有單向導電性，正向導通，反向截止。二極管方程：反向飽和電流反向擊穿電壓若

10、|U| UT則 I - IS 式中： IS為反向飽和電流 UT 是溫度電壓當量， 常溫下UT近似為26mV。 反向特性-2-4-I/AI/mAU/V-20 -100若U UT 則反偏時，反向電流值很小，反向電阻很大，反向電壓超過UBR則被擊穿。28思考題 是否允許將1.5V的干電池以正向接法接至二極管的兩端？為什么？答：不允許。這將導致二極管燒毀或電池短路損壞。 由PN結伏安特性式計算可知：當 UD=1.5V 時， ID IS1.141025（A）這時，即使IS很小，例如 nA 數(shù)量級（10-9 A），有： ID 10-9 1.141025 = 1.141016 （A）根據(jù)計算，干電池輸出功率

11、將達到： P = UI = 1.5V 1.141016 （A）=1.711016 （W）= 1.71 億億 （W） 這顯然是不可能的。后果必然是：或者燒毀二極管，或者使電池短路損壞。因此應禁止將二極管直接與電池相連。29（1）理想模型圖1.2.3（a） 二極管的理想等效模型二、二極管的等效電路一、由伏安特性線性化得到的等效模型電路(a) uD 0，二極管導通；u D 0.7 V，二極管導通；uD 0.7 V，二極管截止。311.2.3 二極管的參數(shù) (1) 最大整流電流IF二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大正向電流的平均值。(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VR 二極管反向電

12、流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。 為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VR一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。 (3) 反向電流IR (4) 正向壓降VF 在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。 在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.60.8V；鍺二極管約0.20.3V。32(5)*最高工作頻率fM ：如何用萬用表的“”檔來辨別一只二極管的陽極、陰極以及二極管的好壞？思考題33半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉

13、例如下：34例1.2.1已知uI = Umsin t ，畫出uO和uD的波形VDR+-+-uIuO+-uDiOUmtuoOtuDOuI0 時二極管導通，uO = uI uD = 0uI 0 時二極管截止，uD = uI uO = 0-UmioUmtuIO1.2.4二極管的應用（整流、限幅、開關）（1）二極管整流電路35VVDVSVVDVS正向偏置，相當于開關閉合。反向偏置，相當于開關斷開。（2） 二極管開關電路36（3）二極管限幅電路ID+vo-R 10K+vi 例1.2.2 電路圖VREF 例1.2.2 如圖1.2.10 所示電路。試畫出VREF分別為0、5V時的波形。其中vi=10sint

14、V。37（1）穩(wěn)壓二極管的伏安特性 穩(wěn)定電壓VZ 穩(wěn)定電流IZ（ IZmin 、IZmax ） 額定功耗PZM 動態(tài)電阻rZ 溫度系數(shù)圖1.3.1 穩(wěn)壓管的 伏安特性（2）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) 利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。其伏安特性如圖1.3.1所示。1.3 .1穩(wěn)壓二極管1.3 特殊用途二極管38穩(wěn)定電壓UZ ：穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū) 時的工作電壓。2. 穩(wěn)定電流IZ ：穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流。3. 動態(tài)內阻rZ ：穩(wěn)壓管兩端電壓和電流的變化量之比。 rZ= U / I4. 電壓的溫度系數(shù)U：穩(wěn)壓管電流不變時，環(huán)境溫度對穩(wěn)定電壓的影響。5. 額定

15、功耗PZ ：電流流過穩(wěn)壓管時消耗的功率。39使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時的注意事項：UORLVDZRUIIRIOIZ+- 穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓管必須工作在反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管應與負載RL并聯(lián)。必須串聯(lián)一電阻進行限流，以保護穩(wěn)壓管。工作原理：當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。40圖1.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 例131* 在圖1211所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz=6V，最小穩(wěn)定電流Izm=5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA；負載電阻RL=600。求解限流電阻R的取值范圍。（3）穩(wěn)壓二極管構成的穩(wěn)壓電路41解：從圖

16、1.2.11所示電路可知，R上電流IR等于穩(wěn)壓管中電流IDZ 和負載電流IL之和，即 :IDZ=525mA限流電阻R的取值范圍為114227。42例 電路如圖所示，已知UImax= 15V， UImin= 10VIZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600UZ= 6V, 對應UZ= 0.3V。求rZ ，選擇限流電阻RUORLVDZRUIIRIOIZ+-+-UZ43解：IZ =IR - IO=UI - UZR-UZRLIZmax UImax - UZR-UZRLmaxIZmin UImin - UZR-UZRLminrZ =IZUZ= 6.715 -

17、650 +61k=161R R10 - 65 +60.6k=267IZ = IZmax - IZmin = 45 mAUORLVDZRUIIRIOIZ+-+-UZ44 例:設計如圖所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，已知VO=6V， 輸入電壓VI 波動10%， RLmin=1k。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路解：（1）選擇DZ ：查手冊，選擇DZ 為2CW13，VZ =(56.5V) ， IZmax=38mA, IZmin=5mA45（2）選擇限流電阻R：46其它類型二極管發(fā)光二極管LED發(fā)光二極管包括可見光、不可見光、激光等不同類型，這里只對可見光發(fā)光二極管做一簡單介紹。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色決定于所用材料，目前有紅、綠、黃、橙等可以制成各種形狀，如長方形，圓形。開啟電壓比普通二極管的大，工作電壓一般在1.52.5V之間，工作電流在530mA之間，電流越大，發(fā)光越強。發(fā)光二極管的開啟電壓圖1.3.3 發(fā)光二極管紅光：1.61.8V綠光： 1.82.0V黃光： 1.61.8V藍光： 2.22.5V白光： 2.22.5V 發(fā)光二極管因其驅動電壓低、功耗小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點廣泛用于顯示電路之中。 47 外加反向電壓，無光照時的反向電流稱之為暗