二級管知識,中英文版課件

二極管知識簡介DiodeIntroduction製作人:伍麗紅Nov.28th內(nèi)容大綱:§1.1半導(dǎo)體的基本知識§1.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管§1.3特殊二極管半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。1.1.1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體§1.1半導(dǎo)體的基本知識1.1.2

本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。圖中,實(shí)線圓表示位於原子中心的原子核;虛線圓上的黑點(diǎn)表示核外按層次排布的電子;虛線圓表示電子圍繞原子核運(yùn)動的軌跡.原子核與電子都帶電.電子帶負(fù)電,原子核帶正電.本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。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(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子共價(jià)鍵共用電子對SMT類DIP類二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理1.載流子、自由電子和空穴在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。+4+4+4+4束縛電子自由電子

空穴2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。+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。1.1.3

雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(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。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）。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）。一、N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)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(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)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(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。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）。+4+4+5+4多余電子磷原子§1.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管2.1.1PN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，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體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?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。電位VV0－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型區(qū)空間電荷區(qū)N型區(qū)

所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。二、PN結(jié)反向偏置變厚－－－－++++PNRE+_內(nèi)電場外電場內(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。2.1.3

半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)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)面接觸型二極管的電路符號：PN二、伏安特性UfIf導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V反向擊穿電壓UBR二極管的伏安特性也就是PN結(jié)的伏安特性。把二極管的電流隨外加偏置電壓的變化規(guī)律，稱為二極管的伏安特性，以曲線的形式描繪出來，就是伏安特性曲線。如圖1所示:IRUR(圖1)Is2）反向特性——外加反向偏壓UR當(dāng)外加反向偏壓時(shí)，宏觀電流是由少子組成的反向漂移電流。當(dāng)反向電壓UR在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流IR幾乎不變，所以又稱為反向飽和電流IS。當(dāng)溫度升高時(shí)，少子數(shù)目增加，所以IS增加。室溫下一般硅管的反向飽和電流小于1μA，鍺管為幾十到幾百微安

。3）擊穿特性——外加反壓增大到一定程度擊穿特性屬于反向特性的特殊部分。當(dāng)UR繼續(xù)增大，并超過某一特定電壓值時(shí)，反向電流將急劇增大，這種現(xiàn)象稱之為擊穿。發(fā)生擊穿時(shí)的UR叫擊穿電壓UBR。如果PN結(jié)擊穿時(shí)的反向電流過大（比如沒有串接限流電阻等原因），使PN結(jié)的溫度超過PN結(jié)的允許結(jié)溫（硅PN結(jié)約為150～200℃，鍺PN結(jié)約為75～100℃）時(shí)，PN結(jié)將因過熱而損壞。四、一些重要的特徵參數(shù)(ElectricalCharacteristics)在一定正向電流下的正向電壓UF在一定反向電壓和溫度下的反向電流IR在一定反向電壓下的耗盡層電容C在一定條件下的反向延遲時(shí)間trr耗盡層與周圍空氣之間的熱阻RthU§1.3特殊二極管1.3.1開關(guān)二極管(SwitchingDiode,SchottkyDiode

)

在數(shù)字電路中經(jīng)常將半導(dǎo)體二極管作為開關(guān)元件來使用，因?yàn)槎O管具有單向?qū)щ娦?，可以相?dāng)于一個(gè)受外加偏置電壓控制的無觸點(diǎn)開關(guān)。如圖2所示，為監(jiān)測發(fā)電機(jī)組工作的某種儀表的部分電路。其中Us是需要定期通過二極管VD加入記憶電路的信號，Ui為控制信號。當(dāng)控制信號Ui=10V時(shí)，VD的負(fù)極電位被抬高，二極管截止，相當(dāng)于“開關(guān)斷開”，Us不能通過VD；當(dāng)Ui=0V時(shí)，VD正偏導(dǎo)通，Us可以通過VD加入記憶電路。此時(shí)二極管相當(dāng)于“開關(guān)閉合”情況。這樣，二極管VD就在信號Ui的控制下，實(shí)現(xiàn)了接通或關(guān)斷Us信號的作用。圖2極限參數(shù)和特徵參數(shù):1.反向電壓UR2.正向電流IF重要的極限參數(shù)有:3.耗散功率Ptot重要的特徵參數(shù)有:1.正向恢復(fù)時(shí)間Tfr:又稱接通時(shí)間,它是消除耗盡層所需的時(shí)間.2.反向恢復(fù)時(shí)間Trr:又稱斷開時(shí)間,它是耗盡層形成的時(shí)間.3.電容Cj4.反向電流IR1.3.2

穩(wěn)壓二極管(Zener

)穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管，是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管，可以穩(wěn)定地工作于擊穿區(qū)而不損壞。穩(wěn)壓二極管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)均與普通二極管相似，其電路符號、伏安特性曲線如下圖所示。+-IUUZIZminIZmaxUZIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。穩(wěn)壓二極管的參數(shù):1）穩(wěn)定電壓UZUZ就是穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓，它的大小取決于制造時(shí)的摻雜濃度。2）最小穩(wěn)定電流IZmin穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的最小電流值定義為最小穩(wěn)定電流，記為IZmin，一般在幾毫安以上。穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流應(yīng)大于IZmin，以保證穩(wěn)壓效果。3）最大穩(wěn)定電流IZmax和最大耗散功率PZM穩(wěn)壓管允許流過的最大電流和最大功耗叫做最大穩(wěn)定電流IZmax和最大耗散功率PZM。通過管子的電流太大，會使管子內(nèi)部的功耗增大，結(jié)溫上升而燒壞管子，所以穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流和功耗不應(yīng)超過這兩個(gè)極限參數(shù)。一般有:PZM=UZ·IZmax4）動態(tài)電阻rz穩(wěn)壓管反向擊穿時(shí)的動態(tài)電阻，定義為電流變化量ΔIZ引起的穩(wěn)定電壓變化量ΔUZ。動態(tài)電阻是反映穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓性能好壞的重要參數(shù),rz越小，反向擊穿區(qū)曲線越陡，穩(wěn)壓效果就越好。5）穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K定義為溫度變化1℃引起的穩(wěn)定電壓UZ的相對變化量，即:穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):uoiZDZRiLiuiRL

負(fù)載電阻RL=2KΩ

。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。

求：電阻R和輸入電壓ui的正常值。解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax?！匠?令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin。uoiZDZRiLiuiRL——方程2聯(lián)立方程1、2，可解得：

1.3.3發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管屬于電光轉(zhuǎn)換器件的一種，是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件，簡稱“LED”，是英文LightEmittingDiode的縮寫，其電路符號如圖3所示。圖3一.發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦裕寒?dāng)外加反偏電壓時(shí)，二極管截止，不發(fā)光；當(dāng)外加正偏電壓導(dǎo)通時(shí)，因流過正向電流而發(fā)光。二.發(fā)光機(jī)理是由于正偏時(shí)電子與空穴復(fù)合并釋放出能量所致，而顏色與發(fā)光二極管的材料和摻雜元素有關(guān)。