PN結(jié)二極管課件黃秋柳PPT

PN結(jié)二極管黃秋柳2008-5-51內(nèi)容提要一、PN結(jié)二極管概述二、PN結(jié)二極管特性三、幾種特殊的二極管2一、PN結(jié)二極管概述半導體P型、N型半導體PN結(jié)PN結(jié)二極管正向特性反向特性擊穿特性3PN結(jié)的I-V特性UI反向擊穿電壓U(BR)正向特性：在正向曲線起始階段，電流增長緩慢，這是由于內(nèi)建電場對外電場的抵消作用。當正向電壓增加到一定的值后（硅管約為0.7V鍺管約為0.2V），內(nèi)建電場被完全消除，電流增長很快，近乎直線上升。反向特性：在“PN”結(jié)的額定擊穿電壓之前，反向偏置“PN”結(jié)的電流只由少數(shù)載流子漂移產(chǎn)生,其值基本上不隨反偏壓增大而上升。擊穿特性：當加在“PN”結(jié)上的反向偏壓超過其設(shè)計的擊穿電壓后，“PN”結(jié)發(fā)生擊穿。①齊納擊穿②雪崩擊穿。IF（多子擴散）正偏反偏IR（少子漂移）反向擊穿反向飽和電流Is4

根據(jù)理論分析：u為PN結(jié)兩端的電壓降i為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

稱為溫度的電壓當量其中k為玻耳茲曼常數(shù)

1.38×10－23q

為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學溫度對于室溫（相當T=300K）則有UT=26mV。當u>0u>>UT時當u<0|u|>>|UT

|時5

PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)

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

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖6(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7PN結(jié)二極管工作原理不加外電壓時，擴散電流=漂移電流電平衡狀態(tài)外電壓正偏時，外界電場和自建電場的互相抵消作用使載流子的擴散電流增加,引起正向電流。外電壓反偏時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流Is。當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強度達到臨界值發(fā)生載流子的倍增效應，產(chǎn)生大量電子空穴對，從而產(chǎn)生數(shù)值很大的反向擊穿電流，這稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。

8二、二極管的特性最重要的特性就是單方向?qū)щ娦?。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。

9正向特性

當V＞0，即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。

當V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。

硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性反向擊穿特性反向特性正向特性10反向特性當V＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：當VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS。當V≥VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。

硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性反向擊穿特性反向特性正向特性硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很?。绘N二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。11二極管的溫度特性溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加。如硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VD大約減小2mV，即具有負的溫度系數(shù)。12二極管的主要參數(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整流電流的平均值。

（2）反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM——二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。為保證二極管安全工作，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。即VRM=0.5VBR13（3）反向電流IR——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(mA)級。

（4）正向壓降VD——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0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。

（5）動態(tài)電阻rd——反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，rd與工作電流的大小有關(guān)，即

rd=△VD/△ID

14三、幾種特殊的二極管整流二極管、檢波二極管、開關(guān)二極管——利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦苑€(wěn)壓二極管、雪崩二極管——利用PN結(jié)擊穿特性變?nèi)荻O管——利用結(jié)電容隨外電壓變化效應15整流二極管主要用于整流電路中。它是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦园呀涣麟娹D(zhuǎn)變成脈動直流電。一般，它用硅材料做成面結(jié)合型，因此其結(jié)電容較大，但是其頻率范圍較窄且低，在3KHz以下。

檢波二極管作用：利用其單向?qū)щ娦詫⒏哳l或中頻無線電信號中的低頻信號或音頻信號取出來。工作原理：由于檢波二極管的單向?qū)щ娦裕{(diào)幅信號通過二極管時，其負向部分被截去，僅留下其正向部分。此時，如在每個信號周期取平均值（低通濾波），所得為調(diào)幅信號的波包，即基帶低頻信號，實現(xiàn)了解調(diào)（檢波）功能。廣泛用于半導體收音機、收錄機、電視機及通信等設(shè)備的小信號電路中。16開關(guān)二極管作用：在電路中控制電流接通或關(guān)斷（在PN結(jié)加上正向電壓后，其導通電阻很小；而加上反向電壓后截止，其電阻很大。）開關(guān)時間=開通時間+反向恢復時間

開關(guān)時間：開關(guān)二極管從截止到導通所需的時間

反向恢復時間：開關(guān)二極管導通到截止所需的時間。

硅開關(guān)二極管的反向恢復時間只有幾個納秒（ns），即10-9級秒；鍺開關(guān)二極管的反向恢復時間要長一些，但也只有幾百納秒。廣泛應用于自動控制電路。17當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓

穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管穩(wěn)壓二極管利用穩(wěn)壓二極管微小的電壓變化引起極大的電流變化的特點快速地把變化的電壓反饋到電壓調(diào)節(jié)電阻上，在穩(wěn)壓電路中串聯(lián)一個合適的電壓調(diào)節(jié)電阻就可以把電壓調(diào)節(jié)在需要的值上。

18穩(wěn)壓二極管的主要

參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ——在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。(2)動態(tài)電阻rZ——在規(guī)定的工作電流下，穩(wěn)壓值的微小變化與通過二極管電流的變量的比值。動態(tài)電阻值是衡量穩(wěn)壓管穩(wěn)壓能力的一個參數(shù)。穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻隨工作電流大小而改變，工作電流越大，動態(tài)電阻越小，工作電流越小，動態(tài)電阻越大。

rZ=U/I

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin——保證穩(wěn)壓管擊穿所對應的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax——超過Izmax穩(wěn)壓管會因功耗過大而燒壞。19雪崩二極管在外加電壓作用下可以產(chǎn)生高頻振蕩

產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理：利用雪崩擊穿對晶體注入載流子，因載流子渡越晶片需要一定的時間，所以其電流滯后于電壓，出現(xiàn)延遲時間，若適當?shù)乜刂贫稍綍r間，那么，在電流和電壓關(guān)系上就會出現(xiàn)負阻效應，從而產(chǎn)生高頻振蕩。常被應用于微波領(lǐng)域的振蕩電路中。

20雪崩擊穿與齊納擊穿雪崩擊穿：在電場作用下，載流子能量增大，不斷與晶體原子相碰，使共價鍵中的電子激發(fā)形成自由電子-空穴對。新產(chǎn)生的載流子又通過碰撞產(chǎn)生自由電子-空穴對，這就是倍增效應。1生2，2生4，像雪崩一樣增加載流子。

反偏pn結(jié)的雪崩擊穿過程21齊納擊穿：在高的反向電壓下，PN結(jié)中存在強電場，它能夠直接破壞共價鍵，將束縛電子分離，形成電子-空穴對，形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場強度很大,只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)才做得到。（雜質(zhì)大電荷密度就大）

雪崩擊穿與齊納擊穿一般的二極管摻雜濃度沒這么高，它們的電擊穿都是雪崩擊穿。齊納擊穿大多出現(xiàn)在特殊的二極管中，就是穩(wěn)壓二極管

反偏pn結(jié)的齊納擊穿的物理機理22變?nèi)荻O管勢壘電容示意圖擴散電容示意圖利用pn結(jié)電容（勢壘電容)與其反向偏置電壓Vr的依賴關(guān)系及原理制成的二極管。（在一定的范圍內(nèi)，變?nèi)荻O管的反向偏壓越小，結(jié)電容越大，反之，反向偏壓越大，結(jié)電容就越小。）結(jié)電容一般只有幾個皮法，至多一、二百皮法，所以變?nèi)荻O管都用于高頻電路，例如作為電視接收機調(diào)諧回路中的可變電容器。

C的阻抗＝1/(ωC)23PN結(jié)的其他應用使半導體的光電效應與PN結(jié)相結(jié)合可制作多種光電器件舉例：利用前向偏置異質(zhì)結(jié)的載流子注入與復合可以制造半導體激光二極管與半導體發(fā)光二極管。利用光輻射對PN結(jié)反向電流的調(diào)制作用可制作光電探測器。利用光生伏特效應可制成太陽能電池。構(gòu)成雙極型晶體管和場效應晶體管的核心24激光二極管激光產(chǎn)生的條件：①實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（前提條件）用一定的方法去激發(fā)原子群體，使亞穩(wěn)態(tài)上的原子數(shù)目超過基態(tài)上的。該過程稱為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。例如，氦氖激光器中，通過氦原子的協(xié)助，使氖原子中的兩個能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而獲得激光。②滿足閾值條件P1P2exp(2G2A)=1（P1P2是兩個反射鏡的反射率；G是激活物質(zhì)的增益系數(shù)；A是介質(zhì)的損耗系數(shù)；exp為常數(shù)）（受激輻射放大的增益大于激光器內(nèi)的各種損耗,保證輸出穩(wěn)定的激光）③滿足諧振條件f=qc/2NL表明諧振腔長度L和折射率N確定后，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩(wěn)定的激光。25激光二極管結(jié)構(gòu)及工作原理當半導體的PN結(jié)加有正向電壓時，注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴發(fā)生復合——自發(fā)輻射。當自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導體時，經(jīng)過已發(fā)射的電子—空穴對附近，激勵二者復合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復合而發(fā)出新光子——受激輻射。如果注入電流足夠大，則會形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復反射而產(chǎn)生感應輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一頻率具有增益。當增益大于吸收損耗時，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光——激光垂直于PN結(jié)面的一對平行平面構(gòu)成法布里——珀羅諧振腔，它們可以是半導體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。26發(fā)光二極管發(fā)光原理：制作半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于PN