半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路.ppt

1、1,6 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路,6.1 半導(dǎo)體材料,6.3 半導(dǎo)體二極管,6.4 二極管電路分析方法,6.5 特殊二極管,6.2 PN結(jié)的形成及特性,6.1 半導(dǎo)體材料,6.1.1 本征半導(dǎo)體,6.1.2 N型半導(dǎo)體,6.1.3 P型半導(dǎo)體,6.1 半導(dǎo)體材料,導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)對光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導(dǎo)體材料中摻入少量雜質(zhì)可以控制這類材料的電導(dǎo)率。正是利用半導(dǎo)體材料的這些性質(zhì)，才制造出功能多樣的半導(dǎo)體器件。,4,6.1.1 本征半導(dǎo)體,鍺： 1886年2月，德國化學(xué)家Winkler向德國化學(xué)協(xié)會作了關(guān)于發(fā)現(xiàn)鍺報(bào)告，并將此

2、元素命名為Germanium以紀(jì)念其祖國Germany。 鍺在地殼中含量為0.0007%，較金、銀、鉑的含量均高，由于資源分散，增加了冶煉困難，屬于稀有元素一類。 鍺單晶可作晶體管，是第一代晶體管材料。,5,6.1.1 本征半導(dǎo)體,硅： 1823年，瑞典的貝采利烏斯，用氟化硅或氟硅酸鉀與鉀共熱，得到粉狀硅。 硅在地殼中的含量是除氧外最多的元素。地殼的主要部分都是由含硅的巖石層構(gòu)成的，這些巖石幾乎全部是由硅石和各種硅酸鹽組成 。 硅是一種半導(dǎo)體材料，可用于制作半導(dǎo)體器件和集成電路。,6,6.1.1 本征半導(dǎo)體,硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu),6.1.1 本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半

3、導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。,在絕對溫度零度(即0 K，相當(dāng)于-273)，且無外界激發(fā)時，本征半導(dǎo)體無自由電子，和絕緣體一樣不導(dǎo)電。,當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響，某些共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得了足夠的能量，足以掙脫共價(jià)鍵的束縛，躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時在共價(jià)鍵中留下相同數(shù)量的空穴。,8,6.1.1 本征半導(dǎo)體,空穴共價(jià)鍵中的 空位。,電子空穴對由熱 激發(fā)而產(chǎn)生的自由電 子和空穴對。,空穴的移動空穴 的運(yùn)動是靠相鄰共價(jià) 鍵中的價(jià)電子依次充 填空穴來實(shí)現(xiàn)的。,9,6.1.1 本征半導(dǎo)體,本 征 激 發(fā),動畫,10,6.1.1 本征半導(dǎo)體,空穴的運(yùn)動,動畫,11,6.1.1

4、本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體特點(diǎn)：電子濃度空穴濃度,缺點(diǎn)：載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力弱。如果摻入微量的雜質(zhì)元素，導(dǎo)電性能就會發(fā)生顯著改變。按摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，分N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，統(tǒng)稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,12,6.1.2 N型半導(dǎo)體,在硅(或鍺 )晶體中摻入少量的5價(jià)元素，如磷（P），則硅晶體中某些位置的硅原子被磷原子代替。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個價(jià)電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。,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(jià)雜質(zhì)原

5、子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。,13,6.1.2 N型半導(dǎo)體,14,6.1.3 P型半導(dǎo)體,在硅(或鍺 )晶體中摻入少量的3價(jià)元素，如硼（B）或鋁（Al），則硅晶體中某些位置的硅原子被硼原子代替 。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時，缺少一個價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個空穴。,在P型半導(dǎo)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。,空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。,15,6.1.3 P型半導(dǎo)體,16,雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,小結(jié),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:

6、,以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。,17,6.2 PN結(jié)的形成及特性,6.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?6.2.3 PN結(jié)的電容效應(yīng),6.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,6.2.1 PN結(jié)的形成,18,6.2.1 PN結(jié)的形成,19,在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)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 ,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(kuò)散,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。,多子的擴(kuò)散運(yùn)動 ,由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) ,20,6.2.1 PN結(jié)的形成,21,6.2.1 PN結(jié)的形成

7、,22,6.2.1 PN結(jié)的形成,PN結(jié)的形成,動畫,23,6.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?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?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。,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。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響, PN 結(jié)呈現(xiàn)低阻性。,PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況,6.2.2 PN結(jié)的

8、單向?qū)щ娦?25,6.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)加正向電壓,動畫,26,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(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)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(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。,PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況,6.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?27,6.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)加反向電壓,動畫,28,PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)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。 由此可以得出結(jié)論：PN

9、結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?29,6.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)V-I 特性表達(dá)式：,其中:,PN結(jié)的伏安特性,IS 反向飽和電流,VT 溫度的電壓當(dāng)量,且在常溫下(T=300K）:,30,6.2.3 PN結(jié)的電容效應(yīng),PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。 一是勢壘電容CB 二是擴(kuò)散電容CD,31,6.2.3 PN結(jié)的電容效應(yīng),(1) 勢壘電容CB,勢壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。,勢壘電容示意圖,32,6.2.3 PN結(jié)的電容效應(yīng),(2) 擴(kuò)散電容CD

10、,擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因 PN 結(jié)正偏時，由N區(qū)擴(kuò)散到 P 區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。,反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。,33,6.2.3 PN結(jié)的電容效應(yīng),擴(kuò)散電容示意圖,當(dāng)外加正向電壓不同時，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不相同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。,34,6.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電

11、流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。,熱擊穿不可逆,35,6 . 3 半導(dǎo)體二極管,6.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),6.3.2 二極管的伏安特性,6.3.3 二極管的主要參數(shù),36,6.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),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(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。,(1) 點(diǎn)接觸型二極管,點(diǎn)接觸型二極管結(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。,37,（a）面接觸型 （b）集成電路中的平面型 （c）代表符號,(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,38,6.3.2 二極管的伏安特性,二極管的

12、伏安特性曲線可用下式表示,鍺二極管2AP15的V-I 特性,硅二極管2CP10的V-I 特性,39,6.3.2 二極管的伏安特性,硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5 V左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1 V左右。,當(dāng)0VVth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。,當(dāng)V0即處于正向特性區(qū)域。 正向區(qū)又分為兩段：,當(dāng)VVth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。,40,6.3.2 二極管的伏安特性,當(dāng)V0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：,當(dāng)VBRV0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(dāng)VVBR時，反向電流急劇增加

13、，VBR稱為反向擊穿電壓 。,41,6.3.2 二極管的伏安特性,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(fù)的溫度系數(shù)。,42,6.3.2 二極管的伏安特性,43,6.3.3 二極管的主要參數(shù),半導(dǎo)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

14、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,44,6.3.3 二極管的主要參數(shù),(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0.60.8V；鍺二極管約0.20.3V。,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 /IF,(3) 反向電流IR,45,半導(dǎo)體二極管圖

15、片,46,6.4 二極管電路分析方法,6.4.1 圖解分析方法,6.4.2 簡化模型分析方法,47,6.4.1 圖解分析方法,二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V -I 特性曲線。,48,例1 電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD 。,解：由電路的KVL方程，可得,即,是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線,Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn),49,6.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,1.二極管V-I 特性

16、的建模,將指數(shù)模型 分段線性化，得到二極管特性的等效模型。,50,6.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,1.二極管V-I 特性的建模,51,6.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,1.二極管V-I 特性的建模,（4）小信號模型,vs =0 時, Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn) ，反映直流時的工作狀態(tài)。,vs =Vmsint 時（VmVDD）, 將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I 特性線性化，得到小信號模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。,52,6.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,1.二極管V-I 特性的建模,（4）小信號模型,過Q點(diǎn)的切線可以等效成一個微變電阻,即,根據(jù),得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo),則,常溫下（T

17、=300K）,（a）V-I特性 （b）電路模型,53,6.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,1.二極管V-I 特性的建模,（4）小信號模型,（a）V-I特性 （b）電路模型,54,6.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,2模型分析法應(yīng)用舉例,（1）整流電路,（a）電路圖 （b）vs和vo的波形,55,2模型分析法應(yīng)用舉例,（2）靜態(tài)工作情況分析,理想模型,恒壓模型,（硅二極管典型值）,折線模型,（硅二極管典型值）,設(shè),（a）簡單二極管電路 （b）習(xí)慣畫法,56,2模型分析法應(yīng)用舉例,（3）限幅電路,電路如圖，R = 1k，VREF = 3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求

18、解，當(dāng)vI = 6sint V時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。,57,2模型分析法應(yīng)用舉例,（4）開關(guān)電路,電路如圖所示，求AO的電壓值,解：先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位， 即O點(diǎn)為0V。,則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。,陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)ā?導(dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。,58,2模型分析法應(yīng)用舉例,（6）小信號工作情況分析,圖示電路中，VDD = 5V，R = 5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。,直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。,59,6.5 特殊二極管,6.5.1 齊納二極管（穩(wěn)壓二極管）,6.5.2 變?nèi)荻O管,6.5.3 光電二極管,6.5.4 光電二極管,60,6.5.1 齊納二極管(穩(wěn)壓二極管),1.符號及穩(wěn)壓特性,利用二極管反向擊穿特性實(shí)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)。,6.5.1 齊納二極管,61,(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(yīng)的反向工作電壓。,rZ =VZ /IZ,(3) 最大