半導(dǎo)體二極管及PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1半導(dǎo)體二極管及半導(dǎo)體二極管及第1頁/共52頁 本征半導(dǎo)體，空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體，空穴及其導(dǎo)電作用一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們現(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（價電子）都是四個。的最外層電子（價電子）都是四個。第2頁/共52頁本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體完全純凈的、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)組在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在

2、正四面體的中心成晶體點陣，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，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子與其相臨的原子之間形成共價鍵共價鍵，共用一對，共用一對價電子。價電子。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：體結(jié)構(gòu)：第3頁/共52頁硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子第4頁/共52頁共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為，常溫下束縛電子很難脫離共價

3、鍵成為自自由電子由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。則排列，形成晶體。+4+4+4+4第5頁/共52頁二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理在絕對在絕對0度度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時和沒有外界激發(fā)時, ,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶

4、電粒子（即有可以運動的帶電粒子（即載流子載流子），它的導(dǎo)），它的導(dǎo)電能力為電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自自由電子由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空空穴穴。1.1.載流子、自由電子和空穴載流子、自由電子和空穴第6頁/共52頁+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子第7頁/共52頁2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近

5、的電子空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果來填補，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴是載流可以認(rèn)為空穴是載流子。子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。第8頁/共52頁溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半溫度越高，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)體的一能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。大特點。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能

6、力取決于載流子的濃度。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：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。自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流?？昭ㄒ苿赢a(chǎn)生的電流。第9頁/共52頁第10頁/共52頁第11頁/共52頁第12頁/共52頁第13頁/共52頁第14頁/共52頁第15頁/共52頁第16頁/共52頁第17頁/共52頁第18頁/共52頁+REPN 結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變薄變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。較大的擴散電流。第19頁/共52頁第

7、20頁/共52頁 PN 結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置+內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變厚變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。較小的反向電流。RE第21頁/共52頁第22頁/共52頁伏安特性曲線（2-4）對應(yīng)表:第23頁/共52頁結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 二極管處于反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，二極管處于反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過流過PN結(jié)的電流很小，但電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加，結(jié)的電流很小，但電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為反

8、向擊穿。這種現(xiàn)象我們就稱為反向擊穿。 擊穿形式分為兩種：擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿雪崩擊穿和齊納擊穿。 齊納擊穿：齊納擊穿：高摻雜情況下，耗盡層很窄，宜于形成強電場，高摻雜情況下，耗盡層很窄，宜于形成強電場，而破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛形成電子空穴對，致使電而破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛形成電子空穴對，致使電流急劇增加。流急劇增加。 雪崩擊穿：雪崩擊穿：如果攙雜濃度較低，不會形成齊納擊穿，而當(dāng)如果攙雜濃度較低，不會形成齊納擊穿，而當(dāng)反向電壓較高時，能加快少子的漂移速度，從而把電子從共價鍵中撞反向電壓較高時，能加快少子的漂移速度，從而把電子從共價鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖

9、反應(yīng)。出，形成雪崩式的連鎖反應(yīng)。 對于硅材料的對于硅材料的PN結(jié)來說，擊穿電壓結(jié)來說，擊穿電壓7v時為雪崩擊穿，時為雪崩擊穿，4v時為齊納時為齊納擊穿。在擊穿。在4v與與7v之間，兩種擊穿都有。這種現(xiàn)象破壞了之間，兩種擊穿都有。這種現(xiàn)象破壞了PN結(jié)的單向?qū)ЫY(jié)的單向?qū)щ娦?，我們在使用時要避免。電性，我們在使用時要避免。 *擊穿并不意味著擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞。結(jié)燒壞。第24頁/共52頁第25頁/共52頁2.1.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu)PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線引線外殼線外殼線觸絲線觸絲線基片基片點接觸型點接觸

10、型PN結(jié)結(jié)面接觸型面接觸型PN二極管的電路符號二極管的電路符號：第26頁/共52頁 二、伏安特性二、伏安特性UI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.6V,鍺管鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: : 硅管硅管0.60.7V,鍺管鍺管0.2。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR第27頁/共52頁三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)1. 最大整流電流最大整流電流 IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。正向平均電流。2. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔亮鲃≡?/p>

11、，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓壓UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。第28頁/共52頁3. 反向電流反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪蛳螂娏鞔?，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。

12、以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。第29頁/共52頁4. 微變電阻微變電阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二極管特性曲線上工是二極管特性曲線上工作點作點Q 附近電壓的變化與附近電壓的變化與電流的變化之比：電流的變化之比：DDDiur顯然，顯然，rD是對是對Q附近的微小附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。變化區(qū)域內(nèi)的電阻。第30頁/共52頁PN結(jié)的電流方程結(jié)的電流方程PN結(jié)所加端電壓結(jié)所加端電

13、壓U與流過它的電流與流過它的電流I的關(guān)系的關(guān)系為：為：其中其中Is為反向飽和電流，為反向飽和電流，UT為為kt/q，k為玻耳茲曼為玻耳茲曼常數(shù)，常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，為熱力學(xué)溫度，q為電子的電量，常溫下為電子的電量，常溫下，T300K時，時，UT可取可取26mv對于二極管其動態(tài)電阻為：對于二極管其動態(tài)電阻為：eueUtutUtuIsduIsddudididu1*)1(11第31頁/共52頁5. 二極管的極間電容二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘勢壘電容電容CB和和擴散電容擴散電容CD。勢壘電容：勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間

14、電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是出的電容是勢壘電容勢壘電容。擴散電容：擴散電容：為了形成正向電流（為了形成正向電流（擴散電流），注入擴散電流），注入P 區(qū)的少子（區(qū)的少子（電子）在電子）在P 區(qū)有濃度差，越靠近區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在結(jié)濃度越大，即在P 區(qū)有電子區(qū)有電子的積累。同理，在的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容容C

15、D。P+-N第32頁/共52頁CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴散電容可忽略。時，由于載流子數(shù)目很少，擴散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號時的等效電路：結(jié)高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散勢壘電容和擴散電容的綜合效應(yīng)電容的綜合效應(yīng)rd第33頁/共52頁二極管：二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降，正向壓降 0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：理想二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流二極管半波整流第34頁/共52

16、頁圖2-5第35頁/共52頁2-6第36頁/共52頁2-7第37頁/共52頁第38頁/共52頁2-8第39頁/共52頁2-8第40頁/共52頁2.5 特殊二極管特殊二極管 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管UIIZIZmax UZ IZ穩(wěn)壓穩(wěn)壓誤差誤差曲線越陡曲線越陡，電壓越，電壓越穩(wěn)定。穩(wěn)定。+-UZ動態(tài)電阻：動態(tài)電阻：ZZIUZrrz越小，穩(wěn)壓越小，穩(wěn)壓性能越好。性能越好。第41頁/共52頁第42頁/共52頁（4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗）最大允許功耗maxZZZMIUP穩(wěn)壓二極管的參數(shù)穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓

17、UZ（2）電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻）動態(tài)電阻ZZIUZr第43頁/共52頁穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù)穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù): :k10LR負(fù)載電阻負(fù)載電阻 。要求要求當(dāng)輸入電壓由正常當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生值發(fā)生 20%波動時，負(fù)載電壓基本不變。波動時，負(fù)載電壓基本不變。解：令輸入電壓達(dá)到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流解：令輸入電壓達(dá)到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為為Izmax 。求：求：電阻電阻R和輸入電壓和輸入電壓 ui 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1第44頁/共52頁令輸入電壓降到下限令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電時，流過穩(wěn)壓管的電流為流為Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程聯(lián)立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui第45頁/