半導體二極及其應用

(1-1)

半導體二極管及其應用(1-2)第一章半導體二極管及其應用§1.1

半導體的基本知識§1.2

半導體二極管§1.3半導體二極管的型號與檢測§1.4

半導體二極管的應用§1.5

特殊二極管簡介(1-3)1.1.1半導體的基本知識導體：自然界中容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：不導電的物質，稱為絕緣體，如橡膠、陶瓷、玻璃、和塑料等。半導體：另有一類物質的導電性能介于導體和絕緣體之間，稱為半導體，常用的半導體材料是鍺和硅?！?.1半導體的基本知識(1-4)半導體的三個奇妙特性：光敏特性、熱敏特性和摻雜特性1、光敏特性：即半導體的導電能力對光照輻射很敏感。對半導體施加光線照射時，光照越強，等效電阻越小，導電能力越強。利用半導體的光敏性，可以制成光敏檢測元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池等，可用于路燈、航標燈的自動控制或制成火災報警裝置、光電控制開關等。(1-5)2、熱敏特性：即半導體的導電能力對溫度很敏感。溫度升高，將使半導體的導電能力大大增強。例如，純鍺，溫度每升高10℃它的導電能力要增加一倍(電阻率會減少到原來的一半)。利用半導體對溫度十分敏感的特性，可以制成自動控制中常用的熱敏電阻(是負溫度系數)及其它熱敏元件。(1-6)3、摻雜特性“雜質”可以顯著改變(控制)半導體的導電能力。這里所說的“雜質”是指人為地、有目的的、在純凈的半導體(通常稱本征半導體)中摻入的極其微量的三價或五價元素(如硼、磷)。在本征半導體中摻入微量的雜質元素，則它的導電能力將大大增強。例如在純硅中摻入一億分之一的硼元素，其導電能力可以增加兩萬倍以上。利用摻雜半導體可以制造出晶體二極管、晶體三極管、場效應管、晶閘管和集成電路等半導體器件。

這也說明，任何東西的特性本身無所謂好壞，主要是看人們如何去利用它們。(1-7)一、本征半導體的結構特點GeSi本征半導體是純凈的不含雜質的晶體結構完整的半導體，硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。(1-8)半導體是晶體結構在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構：(1-9)硅和鍺的共價鍵結構示意圖共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子核和內層電子(1-10)共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4(1-11)在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有載流子（即載有電荷并可以參與導電的粒子），相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴(1-12)+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子(1-13)2.本征半導體的導電機理+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。本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。(1-14)溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產生的電流。

2.空穴移動產生的電流。(1-15)在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（空穴半導體）。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。(1-16)一、N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。(1-17)+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導體中的載流子是什么？1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）。(1-18)二、P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導體中空穴是多子，電子是少子。(1-19)三、雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。(1-20)1.1.

2PN

結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處會形成一個特殊的導電薄層，這個特殊的導電薄層稱為PN結。(1-21)P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內電場越強，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。(1-22)漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。(1-23)PN結的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現出的電容是勢壘電容。擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P

區(qū)有濃度差，越靠近PN結濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產生的電容就是擴散電容CD。P+-N(1-24)PN結高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd(1-25)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0(1-26)1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內電場阻礙P區(qū)中的空穴.N區(qū)

中的電子（都是多子）向對方運動（擴散運動）。3.P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子，數量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:(1-27)

PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)電位高于N區(qū)電位。

PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：

P區(qū)電位低于N區(qū)電位。(1-28)－－－－++++RE一、PN結正向偏置內電場外電場變薄PN+_內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。(1-29)二、PN結反向偏置－－－－++++內電場外電場變厚NP+_內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數量有限，只能形成較小的反向電流。RE(1-30)1.

2半導體二極管PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結面接觸型陽極陰極二極管的電路符號：1.2.

1半導體二極管的結構和符號(1-31)二極管的主要特性---單向導電1、二極管的偏置：二極管單向導電的特性，只有外加一定極性的電壓（稱為偏置）才能表現出來。陽極電位高于陰極電位稱為二極管的正向偏置，反之稱為反向偏置。2、二極管的主要特性：單向導電，即正向導通，反向截止?；蛟唬褐荒芤粋€方向導電，另一個方向不導電，即由陽極向陰極可以順利的流電流，反方向不流電流。只能一個方向電，(1-32)UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR1.2.

3二極管的伏安特性(1-33)1.最大整流電流

IFM在規(guī)定的環(huán)境溫度和散熱條件下，二極管長期使用時，所允許流過二極管的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓URM通常稱耐壓值或額定工作電壓，是指保證二極管截止的條件下，允許加在二極管兩端的最大反向電壓。手冊上給出的最高反向工作電壓URM一般是擊穿電壓UBR的一半。1.2.

4二極管的主要參數(1-34)3.反向電流

IR指二極管未擊穿時的反向電流。反向電流越小越好。通常反向電流數值很小，但受溫度影響很大，溫度越高反向電流越大，一般溫度每升高10o,反向電流約增大一倍。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。4.最最高工作頻率fM

指保證二極管導向導電作用的最高工作頻率。當工作頻率超過fM時，二極管將失去導向導電性。(1-35)所謂理想二極管也就是最好的二極管，即：1.正向導通時死區(qū)電壓和導通壓降均為零，正向導通電流為無窮大。相當于理想開關閉合。2.反向截至時，反向電流為零，反向擊穿電壓為無窮大。相當于理想開關斷開。1.2.

5理想二極管(1-36)RLuiuouiuott4半導體二極管的應用1.4.1

二極管整流電路(1-37)二極管的用舉例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo(1-38)1.5.1

穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好?！?.5特殊二極管簡介(1-39)穩(wěn)壓管的主要特性

穩(wěn)壓管在反向擊穿狀態(tài)下，流過管子的電流在較大范圍內變化時，而管子兩端電壓卻基本不變；或曰：穩(wěn)壓管在反向擊穿狀態(tài)下，管子兩端電壓只要有微小的變化，就會引起通過穩(wěn)壓管的電流有很大的變化。這是穩(wěn)壓管的主要特性。(1-40)（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數:（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）電壓溫度系數U（%/℃）

穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數。（3）動態(tài)電阻(1-41)負載電阻。要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變。穩(wěn)壓二極管的應用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術參數:解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。求：電阻R和輸入電壓ui的正常值?！匠?/p>