半導(dǎo)體二極及其應(yīng)用

(1-1)

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用(1-2)第一章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用§1.1

半導(dǎo)體的基本知識§1.2

半導(dǎo)體二極管§1.3半導(dǎo)體二極管的型號與檢測§1.4

半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用§1.5

特殊二極管簡介(1-3)1.1.1半導(dǎo)體的基本知識導(dǎo)體：自然界中容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：不導(dǎo)電的物質(zhì)，稱為絕緣體，如橡膠、陶瓷、玻璃、和塑料等。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，常用的半導(dǎo)體材料是鍺和硅?！?.1半導(dǎo)體的基本知識(1-4)半導(dǎo)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(dǎo)體的導(dǎo)電能力對光照輻射很敏感。對半導(dǎo)體施加光線照射時，光照越強(qiáng)，等效電阻越小，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。利用半導(dǎo)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(biāo)燈的自動控制或制成火災(zāi)報警裝置、光電控制開關(guān)等。(1-5)2、熱敏特性：即半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力對溫度很敏感。溫度升高，將使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。例如，純鍺，溫度每升高10℃它的導(dǎo)電能力要增加一倍(電阻率會減少到原來的一半)。利用半導(dǎo)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(fù)溫度系數(shù))及其它熱敏元件。(1-6)3、摻雜特性“雜質(zhì)”可以顯著改變(控制)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。這里所說的“雜質(zhì)”是指人為地、有目的的、在純凈的半導(dǎo)體(通常稱本征半導(dǎo)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(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)元素，則它的導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)。例如在純硅中摻入一億分之一的硼元素，其導(dǎo)電能力可以增加兩萬倍以上。利用摻雜半導(dǎo)體可以制造出晶體二極管、晶體三極管、場效應(yīng)管、晶閘管和集成電路等半導(dǎo)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?nèi)绾稳ダ盟鼈儭?1-7)一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi本征半導(dǎo)體是純凈的不含雜質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體，硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。(1-8)半導(dǎo)體是晶體結(jié)構(gòu)在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)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(diǎn)，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(jié)構(gòu)：(1-9)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)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(nèi)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(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)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(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)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(dǎo)體中沒有載流子（即載有電荷并可以參與導(dǎo)電的粒子），相當(dāng)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(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)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(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)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(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，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(diǎn)。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。(1-15)在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。(1-16)一、N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)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）。(1-18)二、P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)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(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。(1-19)三、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(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。(1-20)1.1.

2PN

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(kuò)散，在它們的交界面處會形成一個特殊的導(dǎo)電薄層，這個特殊的導(dǎo)電薄層稱為PN結(jié)。(1-21)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。(1-22)漂移運(yùn)動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。(1-23)PN結(jié)的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)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(xiàn)出的電容是勢壘電容。擴(kuò)散電容：為了形成正向電流（擴(kuò)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(jié)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(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。P+-N(1-24)PN結(jié)高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)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(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴.N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動（擴(kuò)散運(yùn)動）。3.P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子，數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:(1-27)

PN結(jié)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(jié)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(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。(1-29)二、PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE(1-30)1.

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

1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(1-31)二極管的主要特性---單向?qū)щ?、二極管的偏置：二極管單向?qū)щ姷奶匦?，只有外加一定極性的電壓（稱為偏置）才能表現(xiàn)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?qū)щ姡凑驅(qū)?，反向截止。或曰：只能一個方向?qū)щ?，另一個方向不導(dǎo)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(dǎo)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(shù)(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(shù)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(dǎo)向?qū)щ娮饔玫淖罡吖ぷ黝l率。當(dāng)工作頻率超過fM時，二極管將失去導(dǎo)向?qū)щ娦浴?1-35)所謂理想二極管也就是最好的二極管，即：1.正向?qū)〞r死區(qū)電壓和導(dǎo)通壓降均為零，正向?qū)娏鳛闊o窮大。相當(dāng)于理想開關(guān)閉合。2.反向截至?xí)r，反向電流為零，反向擊穿電壓為無窮大。相當(dāng)于理想開關(guān)斷開。1.2.

5理想二極管(1-36)RLuiuouiuott4半導(dǎo)體二極管的應(yīng)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。§1.5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(nèi)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(shù):（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(1-41)負(fù)載電阻。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負(fù)載電壓基本不變。穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：令輸入電壓達(dá)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>