數(shù)電半導體二極管

數(shù)電半導體二極管第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月問：夢幻五環(huán)由什么材料構(gòu)成？問：半導體材料為什么會發(fā)光？答：發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成，屬于半導體材料。答：通電后，半導體中的空穴與電子復合，釋放能量，從而發(fā)光。第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1半導體的基本知識3.3二極管3.4二極管的基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結(jié)的形成及特性3.二極管及其基本電路第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、半導體的特性根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，分為導體、絕緣體和半導體。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

1.光敏、熱敏特性

2.摻雜特性3.1半導體的基本知識當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。如光敏電阻,熱敏電阻往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯改變。第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、本征半導體、空穴及其導電作用1.結(jié)構(gòu)：以Si,Ge為例本征半導體——化學成分純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體。物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子SiGe第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖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。在硅和鍺晶體中，原子按四角形組成晶體點陣，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。2)共價鍵第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)一個空位，稱這個空位為空穴?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導體區(qū)別于導體的重要標志！3)空穴及其導電作用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。第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月空穴的運動第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月束縛電子從視為空穴從顯然，因熱激發(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。半導體中出現(xiàn)兩種載流子自由電子空穴電量相等，極性相反因共價鍵中出現(xiàn)空穴，在外加電場的作用下鄰近束縛電子就會填補到這個空位上，而在這個束縛電子原來位置又會出現(xiàn)新的空穴，以后其他束縛電子又可轉(zhuǎn)移到這，這樣就在共價鍵中出現(xiàn)一定的電荷遷移。第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入微量的某種元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。

N型(電子)半導體——摻入五價雜質(zhì)元素(如磷)

P型(空穴)半導體——摻入三價雜質(zhì)元素(如硼)第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月因三價雜質(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。在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。P為Positive的字頭。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。因而三價雜質(zhì)也稱為受主雜質(zhì)。1)P型半導體第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五價雜質(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。N為Negative的字頭。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，故稱為施主雜質(zhì)。2)N型半導體第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)饺腚s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Si的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31即多子?

少子∴半導體導電能力主要由雜質(zhì)決定

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm33)雜質(zhì)對半導體導電性的影響第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成3.2PN結(jié)和半導體二極管在本征半導體兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成P型半導體和N型半導體。第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月漂移運動：由電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)形成物理過程第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月因濃度差促使少子漂移

阻止多子擴散

多子的擴散=少子的漂移即達到動態(tài)平衡∵正負離子不移動而載流子復合形成無載流子的空間電荷區(qū)，所以內(nèi)電場也稱耗盡層、勢壘層。多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)PN結(jié)形成物理過程空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場0方向從NP穩(wěn)定的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)PN結(jié)加正向電壓(正偏)當在平衡PN結(jié)外加電壓時，如果正端接P區(qū)，負端接N區(qū)，稱為加正向（偏置）電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向（偏置）電壓，簡稱反偏。外加的正向電壓E有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與內(nèi)電場ε0相反，削弱了內(nèi)電場,使得多子擴散>少子漂移。擴散電流遠大于漂移電流，忽略漂移電流的影響，在外電路上形成流入P區(qū)的電流IF，

PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性，也稱PN結(jié)導通。∵多子數(shù)目很大∴IF很大當E↑，多子擴散加劇→IF↑低電阻，PN結(jié)導通大的正向擴散電流(P->N)PN結(jié)加正向電壓第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月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)，這個電流稱為反向飽和電流IS。且∵少子數(shù)目很少∴IS很小(μA級)，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性，也稱PN結(jié)截止。(2)PN結(jié)加反向電壓(反偏)外加的反向電壓E有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場ε0方向一致，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散起阻礙作用→0，而使少子漂移↑→反向電流IR

。PN結(jié)加反向電壓高電阻，PN結(jié)截止很小的反向漂移電流(N->P)第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月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)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦缘?0頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)PN結(jié)V-I特性表達式PN結(jié)的伏安特性☆VD為正且VD>>VT☆VD為負且∣VD∣>>VT其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）n——發(fā)射系數(shù)，1~2第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

(4)PN結(jié)的電容效應擴散電容CD（正偏）擴散電容示意圖當PN結(jié)處于正向偏置時，擴散運動使多數(shù)載流子穿過PN結(jié)，在對方區(qū)域PN結(jié)附近有高于正常情況時的電荷累積。存儲電荷量的大小，取決于PN結(jié)上所加正向電壓值的大小。若外加正向電壓有一增量V，則相應的空穴（電子）擴散運動在結(jié)的附近產(chǎn)生一電荷增量Q，二者之比Q/V為擴散電容CD。反偏時，擴散電容很小，忽略。第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月勢壘電容CB（反偏）第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。(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。二、半導體二極管1.分類二極管按結(jié)構(gòu)分有：點接觸型、面接觸型和平面型(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(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。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號D第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月Si二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，Ge二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

i)

當0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)或門坎電壓當V＞0即處于正向特性區(qū)域，正向區(qū)又分為兩段：ii)

當V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長，二極管正向?qū)āth2.二極管的伏安特性(1)正向特性Si管正向?qū)▔航导s為0.7V;Ge管正向?qū)▔航导s為0.2V。第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月Si二極管的反向飽和電流IS

<1μΑ，Ge二極管的反向飽和電流IS為幾個μΑ-十幾個μΑ當VBR＜V＜0時，反向電流很小，且隨|V|↑→趨向于飽和IS當V≤VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。VBR(2)反向特性熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆(3)反向擊穿特性第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3.二極管的主要參數(shù)1、最大整流電流IF

是指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。2、反向擊穿電壓VBR

是指管子反向擊穿時的電壓值。手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半。3、反向電流IR

是指管子未擊穿時的反向電流。其值越小，單向?qū)щ娦栽胶谩?、極間電容Cd

是反映二極管中PN結(jié)電容效應的參數(shù)。工作在高頻或開關(guān)狀態(tài)時，必須考慮極間電容的影響。5、反向恢復時間TRR

當二極管的外加電壓從正偏變?yōu)榉雌珪r，反向電流從較大變?yōu)檎Ｖ邓枰臅r間。第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.補充幾個概念(1)二極管的箝位作用VIVthD導通后VI理想D：即D導通相當于短路D加反壓，I很小且趨向于IS→D截止；理想D時，IS→0→相當于開路或開關(guān)斷開。即D具有開關(guān)作用。(2)如何判斷D導通或截止將D斷開，測量V陽—V陰>

Vth?是:D導通否:D截止對于理想D，只要V陽>

V陰→導通(且導通后即箝位),否則截止第29頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)關(guān)于優(yōu)先導通(V陽—V陰)大的二極管優(yōu)先導通且箝位D2:V陽2—V陰2=6v-(-3v)=9vD1:V陽1—V陰1=0v-(-3v)=3vD2優(yōu)先導通且優(yōu)先箝位(短路)→VAO=

6v，D1受反壓截止例:?第30頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)整流(半波、全波)→利用D的單向?qū)щ娦园氩▽╰VViVOV