半導(dǎo)體二極管以及其應(yīng)用

1、關(guān)于半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月1 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用了解半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識；理解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)與形成；掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦?；熟悉二極管和穩(wěn)壓管的V-I特性曲線及其主要參數(shù)等。 了解特種二極管第二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.1 PN結(jié)1.1.1 PN結(jié)的形成1、半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。電阻率為硅（Si）和鍺（Ge）是兩種常用的半導(dǎo)體材料特點：四價元素，每個原子最外層有四個價電子GeSi第三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月2、本征半導(dǎo)體：化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體，其純度達到99.9999999%，通常稱為“9個9”，在物理

2、結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：第四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子這種結(jié)構(gòu)如何體現(xiàn)半導(dǎo)體的特性呢？導(dǎo)電機制是什么？第五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月3、載流子：可以自由移動的帶電離子。 當導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。 自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。 這一

3、現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。第六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月自由電子是載流子?？昭ㄒ彩且环N載流子（Why？）。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。第八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。當溫度一定時，激發(fā)和復(fù)合達到動態(tài)平衡，即“空穴-電子對”濃度一定。第九張，PPT共五十頁，

4、創(chuàng)作于2022年6月溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。第十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月4、雜質(zhì)半導(dǎo)體(1) N型半導(dǎo)體(2) P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。第十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 (1）N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜

5、質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。 因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。+4+4+5+4多余電子磷原子N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？第十二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子

6、濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。第十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成 P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價雜質(zhì)原子與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。 +4+4+3+4空穴硼原子第十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。第十五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月

7、雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 摻入雜 質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。 2摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51016/cm3第十六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。第十七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月小結(jié)半導(dǎo)體

8、中有兩種載流子，分別是自由電子和空穴。純凈半導(dǎo)體中的載流子主要取決于溫度（或光照）。摻雜半導(dǎo)體中的載流子可以分為多子（多數(shù)載流子）和少子（少數(shù)載流子）。多子取決于摻雜濃度，少子取決于溫度（或光照）。P型半導(dǎo)體中的多子是空穴，少子是自由電子，N型半導(dǎo)體中的多子是自由電子，少子是空穴。第十八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.1.2 PN 的單向?qū)щ娦?1、PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。第十九張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+多子擴散運動內(nèi)電場E少子漂移運動擴散的結(jié)果是使

9、空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。第二十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:PN結(jié)形成的物理過程： 因濃度差 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散 最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 擴散 漂移否是寬第二十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和

10、N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為P N 結(jié) , 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3、P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。第二十二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月2、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?如果外加電壓使PN結(jié)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； PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕敉饧与妷菏闺娏鲝?P 區(qū)流到 N 區(qū)， PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 P 區(qū)的電位低于 N

11、區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。 第二十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月PN結(jié)正偏時 a、外加電場使得內(nèi)電場被消弱，從而加劇了多子擴散； 多子向耗盡層的擴散使空間電荷層變窄； b、空間電荷層變窄更有利于多子擴散而抑制少子漂移； c、多子擴散電流稱為正向電流（P N），此時稱PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)正偏：PN結(jié)導(dǎo)通，電阻很小，正向電流較大；第二十五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月PN結(jié)反偏時a、外加電場增強內(nèi)電場，從而阻礙多子擴散而增強了少子的 漂移，使得空間電荷層變寬；b、少子漂移電流（N P），稱為反向飽和電流；c、反向飽和電流

12、很小，且外加電壓超過一定數(shù)值時，基本不隨 電壓的增加而增加。PN結(jié)反偏：PN結(jié)截止，電阻很大，反向電流很?。坏诙鶑?，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月PN結(jié)的電壓與電流關(guān)系其中IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）2、PN結(jié)方程正向：反向：近似第二十七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2 半導(dǎo)體二極管第二十八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十九張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1) 點接觸型二極管(a)點接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 PN結(jié)

13、面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。1、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)第三十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 平面型二極管 往往用于集成電路制造藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4) 二極管的代表符號第三十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 2、 二極管的伏安特性硅二極管2CP10的V-I 特性鍺二極管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向擊穿特性（1）、正向特性死區(qū)電壓： 硅：0.5V 鍺：0.1V正常工作時的管壓降 硅：0.7V 鍺：0.3V 第三十二張，P

14、PT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）、反向特性 反向電流由少子形成，因此反向電流一般很??；小功率硅管：小于1微安；小功率鍺管：幾十微安；（3）、反向擊穿特性 反向擊穿：外加電壓達到一定數(shù)值時，在PN結(jié)中形成強大的電場，強制產(chǎn)生大量的電子和空穴，使反向電流劇增； 齊納擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場，拉出共價鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。當反向電壓小于4V時，擊穿主要為齊納擊穿。雪崩擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場，使做漂移的少子運動速度加大，能量加大，碰撞出共價鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。一個當電壓大于6V時，擊穿主要為雪崩擊穿。發(fā)生擊穿是否就證明

15、二極管損壞了呢？第三十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月3、半導(dǎo)體二極管的等效模型恒壓模型U D 二極管的導(dǎo)通壓降：硅管 0.7V；鍺管 0.3V。二極管的VA特性理想二極管模型：正偏反偏小信號模型:在交流小信號模型下將二極管等效于rD,因此可用于分析二極管電路。第三十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月4、二極管的主要參數(shù)額定整流電流IF反向擊穿電壓U（BR）最高允許反向工作電壓UR反向電流IR最高工作頻率fM第三十五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月例1-1 ui=10sinwt (v)E=5vR=1k歐姆忽略二極管的正向壓降和反向電流畫出uo的波形（1） ui E 時

16、，二極管正向?qū)ǎ?uo = E;第三十六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月例1-2 判斷二極管的 工作狀態(tài)。判斷方法： 正向偏置VAVB；導(dǎo)通； 反向偏置VAVB；截止；解題方法： 斷開二極管2AP1，求VA和VBVA = 15 （10/（10+140）=1V；VB = -10（2/（18+2） + 15（5 /（25+5）=1.5V； VAVB，所以，二極管2AP1截止；第三十七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3 半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.3.1在整流電路中的應(yīng)用D1 、D3導(dǎo)通， D2、D4截止。u2正半周時:uLU1.工作原理第三十八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6

17、月u2負半周時：D2、D4 導(dǎo)通， D1 、D3截止。Uu2-+第三十九張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月uLU第四十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.2 在檢波中的應(yīng)用第四十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.3 限幅電路第四十二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.4 特種二極管1.4.1 硅穩(wěn)壓管IZ mi nIZ m a xUZIZUZ第四十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月2、穩(wěn)壓管的參數(shù)（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗（1）穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻第四十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月3、穩(wěn)壓原理第四十五張，PPT共五十