半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

關(guān)于半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用了解半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識；理解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)與形成；掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦?；熟悉二極管和穩(wěn)壓管的V-I特性曲線及其主要參數(shù)等。了解特種二極管第2頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.1PN結(jié)

1.1.1PN結(jié)的形成1、半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。電阻率為硅（Si）和鍺（Ge）是兩種常用的半導(dǎo)體材料特點：四價元素，每個原子最外層有四個價電子GeSi第3頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2、本征半導(dǎo)體：化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體，其純度達到99.9999999%，通常稱為“9個9”，在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：第4頁,共50頁，2024年2月25日，星期天硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子這種結(jié)構(gòu)如何體現(xiàn)半導(dǎo)體的特性呢？導(dǎo)電機制是什么？第5頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3、載流子：可以自由移動的帶電離子。

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)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(dǎo)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)。第6頁,共50頁，2024年2月25日，星期天+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第7頁,共50頁，2024年2月25日，星期天自由電子是載流子?？昭ㄒ彩且环N載流子（Why？）。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，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，因此可以認為空穴是載流子。第8頁,共50頁，2024年2月25日，星期天游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合?？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。當(dāng)溫度一定時，激發(fā)和復(fù)合達到動態(tài)平衡，即“空穴-電子對”濃度一定。第9頁,共50頁，2024年2月25日，星期天溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，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。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。第10頁,共50頁，2024年2月25日，星期天4、雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。第11頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)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(dǎo)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。+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？第12頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

在N型半導(dǎo)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,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。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。摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。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）。第13頁,共50頁，2024年2月25日，星期天(2)P型半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價雜質(zhì)原子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。+4+4+3+4空穴硼原子第14頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

P型半導(dǎo)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，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。第15頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3第16頁,共50頁，2024年2月25日，星期天雜質(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。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。第17頁,共50頁，2024年2月25日，星期天小結(jié)半導(dǎo)體中有兩種載流子，分別是自由電子和空穴。純凈半導(dǎo)體中的載流子主要取決于溫度（或光照）。摻雜半導(dǎo)體中的載流子可以分為多子（多數(shù)載流子）和少子（少數(shù)載流子）。多子取決于摻雜濃度，少子取決于溫度（或光照）。P型半導(dǎo)體中的多子是空穴，少子是自由電子，N型半導(dǎo)體中的多子是自由電子，少子是空穴。第18頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.1.2PN

的單向?qū)щ娦?/p>

1、PN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)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。第19頁,共50頁，2024年2月25日，星期天P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++多子擴散運動內(nèi)電場E少子漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。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?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。第20頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(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:PN結(jié)形成的物理過程：

因濃度差

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

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動

雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

擴散>

漂移否是寬第21頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)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。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中的空穴、N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3、P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。第22頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2、

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果外加電壓使PN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；

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。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。第23頁,共50頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共50頁，2024年2月25日，星期天PN結(jié)正偏時

a、外加電場使得內(nèi)電場被消弱，從而加劇了多子擴散；多子向耗盡層的擴散使空間電荷層變窄；

b、空間電荷層變窄更有利于多子擴散而抑制少子漂移；

c、多子擴散電流稱為正向電流（PN），此時稱PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)正偏：PN結(jié)導(dǎo)通，電阻很小，正向電流較大；第25頁,共50頁，2024年2月25日，星期天PN結(jié)反偏時a、外加電場增強內(nèi)電場，從而阻礙多子擴散而增強了少子的漂移，使得空間電荷層變寬；b、少子漂移電流（NP），稱為反向飽和電流；c、反向飽和電流很小，且外加電壓超過一定數(shù)值時，基本不隨電壓的增加而增加。PN結(jié)反偏：PN結(jié)截止，電阻很大，反向電流很小；第26頁,共50頁，2024年2月25日，星期天PN結(jié)的電壓與電流關(guān)系其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）2、PN結(jié)方程正向：反向：近似第27頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.2半導(dǎo)體二極管第28頁,共50頁，2024年2月25日，星期天第29頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

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。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。1、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)第30頁,共50頁，2024年2月25日，星期天(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)二極管的代表符號第31頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

2、二極管的伏安特性硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性（1）、正向特性死區(qū)電壓：硅：0.5V

鍺：0.1V正常工作時的管壓降硅：0.7V

鍺：0.3V

第32頁,共50頁，2024年2月25日，星期天（2）、反向特性

反向電流由少子形成，因此反向電流一般很?。恍」β使韫埽盒∮?微安；小功率鍺管：幾十微安；（3）、反向擊穿特性

反向擊穿：外加電壓達到一定數(shù)值時，在PN結(jié)中形成強大的電場，強制產(chǎn)生大量的電子和空穴，使反向電流劇增；①齊納擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場，拉出共價鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。當(dāng)反向電壓小于4V時，擊穿主要為齊納擊穿。②雪崩擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場，使做漂移的少子運動速度加大，能量加大，碰撞出共價鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。一個當(dāng)電壓大于6V時，擊穿主要為雪崩擊穿。發(fā)生擊穿是否就證明二極管損壞了呢？？？第33頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3、半導(dǎo)體二極管的等效模型恒壓模型UD二極管的導(dǎo)通壓降：硅管0.7V；鍺管0.3V。二極管的V—A特性理想二極管模型：正偏反偏小信號模型:

在交流小信號模型下將二極管等效于rD,因此可用于分析二極管電路。第34頁,共50頁，2024年2月25日，星期天4、二極管的主要參數(shù)額定整流電流IF反向擊穿電壓U（BR）最高允許反向工作電壓UR反向電流IR最高工作頻率fM第35頁,共50頁，2024年2月25日，星期天例1-1

ui=10sinwt(v)E=5vR=1k歐姆忽略二極管的正向壓降和反向電流畫出uo的波形（1）ui<E時，二極管反向截止，

uo=ui;（2）ui>E時，二極管正向?qū)ǎ?/p>

uo=E;第36頁,共50頁，2024年2月25日，星期天例1-2

判斷二極管的工作狀態(tài)。判斷方法：

正向偏置VA>VB；導(dǎo)通；反向偏置VA<VB；截止；解題方法：

斷開二極管2AP1，求VA和VBVA=15×（10/（10+140））=1V；VB=-10×（2/（18+2））+15×（5/（25+5））=1.5V；

VA<VB，所以，二極管2AP1截止；第37頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.3半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用

1.3.1在整流電路中的應(yīng)用D1

、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。u2正半周時:uLU２1.工作原理第38頁,共50頁，2024年2月25日，星期天u2負半周時：D2、D4

導(dǎo)通，D1

、D3截止。UＬu2-+第39頁,共50頁，2024年2月25日，星期天uLU２第40頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.3.2在檢波中的應(yīng)用第41頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.3.3限幅電路第42頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.4特種二極管

1.4.1硅穩(wěn)壓管IZminIZmax●UZIZΔUZ第43頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2、穩(wěn)壓管的參數(shù)（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（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)電阻第44頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3、穩(wěn)壓原理第45頁,共50頁，