模擬第一章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用100908課件

1.1半導(dǎo)體的基本知識為什么研究半導(dǎo)體？

電子電路工作的核心器件是晶體管，而晶體管是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的。

學(xué)習(xí)本章需掌握半導(dǎo)體的外部特性和主要參數(shù)；了解半導(dǎo)體中載流子的運動及半導(dǎo)體二極管的內(nèi)部工作原理。11.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

一、半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。單質(zhì)半導(dǎo)體：碳(C)、硅(Si)、鍺(Ge)化合物半導(dǎo)體：磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵等本征半導(dǎo)體：99.9999999%純度的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體“九個九”物質(zhì)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(fù)排列的物質(zhì)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(zhǔn)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(dǎo)體器件所用主要材料是硅和鍺2化學(xué)元素周期表3在本征半導(dǎo)體中，由于晶體中共價鍵的結(jié)合力很強，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)在熱力學(xué)溫度零度（即T=0K）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?qū)щ姷妮d流子，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。5圖1.1.1本征半導(dǎo)體平面結(jié)構(gòu)示意圖6本征激發(fā)和復(fù)合的過程7圖1.1.3N型半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的可控性通過擴散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素,得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入5價P元素，形成N型半導(dǎo)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(dǎo)體中摻入3價B元素，形成P型半導(dǎo)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(dǎo)體圖1.1.4P型半導(dǎo)體10在雜質(zhì)半導(dǎo)體中：雜質(zhì)濃度不應(yīng)破壞半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入雜質(zhì)的濃度；而少數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度。雜質(zhì)半導(dǎo)體的優(yōu)點：摻入不同性質(zhì)、不同濃度的雜質(zhì)，可控制它的導(dǎo)電性能。另外光照、溫度等外界因素也可以改變其導(dǎo)電性能。這就是為什么選半導(dǎo)體作為制作晶體管材料的原因?？偨Y(jié)11小結(jié)本講主要介紹了下列半導(dǎo)體的基本概念：本征半導(dǎo)體激發(fā)、復(fù)合、空穴、載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體131.1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦砸弧N結(jié)的形成二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?4一、PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(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:

因濃度差

多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

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

15二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀绻饧与妷菏筆N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；

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。17１、PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)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(jié)導(dǎo)通呈現(xiàn)低阻性。

PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況如下圖所示。

（動畫1-2）PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況18

２、PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)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(jié)區(qū)的少子在內(nèi)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(jié)截止呈現(xiàn)高電阻性。PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況如下頁圖所示。PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況在一定的溫度條件下，由本征激發(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(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。19PN結(jié)單向?qū)щ娦缘奶攸c正向?qū)ā⒎聪蚪刂?；正向電阻小、反向電阻大；正向電流大、反向電流?。?/p>

導(dǎo)通電壓Von硅材料為0.6~0.8V左右；鍺材料為0.2~0.3V左右。211.2半導(dǎo)體二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)類型1.2.2二極管的伏安特性1.2.3二極管的參數(shù)1.2.4二極管的應(yīng)用22二極管實物照片1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)類型二極管形成

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管23(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(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。電流較大。(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。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)二極管的符號二極管的結(jié)構(gòu)示意圖25302010I/mAUD/V0.51.01.5201024-I/μАO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(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓后，二極管導(dǎo)通,電流與電壓關(guān)系近似指數(shù)關(guān)系。硅二極管為0.7V左右鍺二極管為0.2V左右死區(qū)電壓正向特性0.51.01.5102030U/VI/mA0

二極管正向特性曲線硅二極管為0.5V左右鍺二極管為0.1V左右死區(qū)電壓：導(dǎo)通壓降：正向特性27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(dǎo)致二極管燒毀或電池短路損壞。由PN結(jié)伏安特性式計算可知：當(dāng)UD=1.5V時，ID≈IS×1.14×1025（A）這時，即使IS很小，例如nA數(shù)量級（10-9A），有：ID≈10-9×1.14×1025=1.14×1016（A）根據(jù)計算，干電池輸出功率將達到：P=U?I=1.5V×1.14×1016（A）=1.71×1016（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(yīng)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(dǎo)通；uD<0二極管截止。30（2）恒壓降模型圖1.2.3(b)二極管的恒壓降等效模型(b)考慮正向壓降，uD>0.7V，二極管導(dǎo)通；uD<0.7V，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

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)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0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。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(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：34[例1.2.1]已知uI=

Umsinωt，畫出uO和uD的波形VDR+-+-uIuO+-uDiOUmωtuoOωtuDOuI＞0

時二極管導(dǎo)通，uO=

uIuD

=

0uI

＜0

時二極管截止，uD

=

uIuO=

0-UmioUmωtuIO1.2.4二極管的應(yīng)用（整流、限幅、開關(guān)）（1）二極管整流電路35VVDVSVVDVS正向偏置，相當(dāng)于開關(guān)閉合。反向偏置，相當(dāng)于開關(guān)斷開。（2）二極管開關(guān)電路36（3）二極管限幅電路ID+vo--R10K+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=10sintV。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(nèi)阻rZ

：穩(wěn)壓管兩端電壓和電流的變化量之比。

rZ=ΔU/ΔI4.電壓的溫度系數(shù)αU：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(yīng)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(dāng)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(diào)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1．3．1*]在圖1．2．11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=600Ω。求解限流電阻R的取值范圍。（3）穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路41解：從圖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=5~25mA限流電阻R的取值范圍為114～227Ω。42[例]電路如圖所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1kΩ，RLmin=600ΩUZ=6V,

對應(yīng)ΔUZ=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

=ΔIZΔUZ=6.7Ω15

-

650

+61kΩ=161ΩR＞R＜10

-

65

+60.6kΩ=267ΩΔIZ=IZmax-IZmin=45mAUORLVDZRUIIRIOIZ++--+-UZ44

例:設(shè)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=(5~6.5V)，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1.5~2.5V之間，工作電流在5~30mA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