半導體二極管65840課件

14半導體二極管和三極管14.1半導體的基本知識14.2PN結(jié)14.3半導體二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5晶體管14.6光電器件14.1半導體的基本知識14.1.1本征半導體及其導電性14.1.2雜質(zhì)半導體14.1.3半導體的溫度特性根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，劃分為導體、絕緣體和半導體。半導體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。14.1.1本征半導體及其導電性

(1)本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)(2)電子空穴對

(3)空穴的移動本征半導體——化學成分純凈的半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。

（2）電子空穴對當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。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。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)?？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。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合，如圖01.02所示。

本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。圖01.02本征激發(fā)和復合的過程（動畫1-1）

(3)空穴的移動

在外電場的作用下，

自由電子的定向運動形成電子電流；空穴的定向運動也可形成空穴電流。它們的運動方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現(xiàn)的。見圖01.03的動畫演示。（動畫1-2）圖01.03空穴在晶格中的移動注意：載流子自由電子空穴半導體不同于金屬的顯著特點

(1）N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。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。在N型半導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,由本征激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子。N型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.04所示。圖01.04N型半導體結(jié)構(gòu)示意圖(2)P型半導體

在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質(zhì)原子在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。P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由本征激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。P型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.05所示。圖01.05P型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖01.05P型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖14.1.3雜質(zhì)對半導體導電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm314.2.1PN結(jié)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(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動內(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。

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導體和N型半導體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

圖01.06PN結(jié)的形成過程（動畫1-3）PN結(jié)形成的過程可參閱圖01.06。14.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流（PN結(jié)處于導通狀態(tài)）；

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流（PN結(jié)處于截止狀態(tài)）。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?4.3半導體二極管14.3.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)類型14.3.2半導體二極管的伏安特性曲線14.3.3

半導體二極管的參數(shù)14.3.4半導體二極管的溫度特性14.3.5半導體二極管的型號14.3.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)類型在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。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.11所示。(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)點接觸型圖01.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的表示符號D14.3.2半導體二極管的伏安特性曲線

半導體二極管的伏安特性曲線如圖01.12所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。圖01.12二極管的伏安特性曲線硅二極管的導通電壓0.6～0.8V，

鍺二極管的導通電壓0.2～0.3V。

(1)正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

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＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。此時二極管導通。(2)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。14.3.3半導體二極管的參數(shù)

半導體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓VBR、最大反向工作電壓VRM、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結(jié)電容Cj等。幾個主要的參數(shù)介紹如下：

(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。為安全計，在實際工作時，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。

(3)反向電流IR

(4)正向壓降VF(5)動態(tài)電阻rd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。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=VF/IF14.3.4半導體二極管的溫度特性

溫度對二極管的性能有較大的影響，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VF(VD)大約減小2mV，即具有負的溫度系數(shù)。這些可以從圖01.13所示二極管的伏安特性曲線上看出。

圖01.13溫度對二極管伏安特性曲線的影響圖示14.3.5半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：半導體二極管圖片半導體二極管圖片半導體二極管圖片應用舉例

主要利用二極管的單向?qū)щ娦?。可用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。

例:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負電源－12V。VY=+2.7V解：DA優(yōu)先導通，DA導通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。DA起鉗位作用，DB起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回例：二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuouiuott二極管半波整流14.4穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號和典型應用電路如圖01.14所示。圖見下頁

圖01.14穩(wěn)壓二極管的伏安特性

(a)符號(b)伏安特性(c)應用電路(b)(c)(a)圖示

從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。

(1)穩(wěn)定電壓VZ——(2)動態(tài)電阻rZ——

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。

其概念與一般二極管的動態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

rZ=VZ/IZ

(3)最大耗散功率

PZM

——

穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時PN結(jié)的功率損耗為

PZ=VZIZ，由