半導體及二極管 ppt課件

1、半導體的根本知識PN結的構成及特性半導體二極管特殊二極管二極管根本電路分析半導體的根本知識本征半導體、空穴及其導電作用雜質半導體 根據(jù)物體導電才干(電阻率)的不同，劃分為導體、絕緣體和半導體。 半導體的電阻率為10-3109 cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體的特點：1導電才干不同于導體、絕緣體；2受外界光和熱刺激時電導率發(fā)生很大變化光敏元件、熱敏元件；3摻進微量雜質，導電才干顯著添加半導體。半導體的根本知識半導體的共價鍵構造 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。它們分別與周圍的四個原子的價電子構成共價鍵。 原子按一定規(guī)律整齊陳列，構成晶體點陣

2、后，構造圖為：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4前往本征半導體、空穴及其導電作用本征半導體完全純真的、構造完好的半導體晶體。載流子可以自在挪動的帶電粒子。電導率與資料單位體積中所含載流子數(shù)有關，載流子濃度越高，電導率越高。前往電子空穴對電子空穴對 當T=0K和無外界激發(fā)時，導體中沒有載流子，不導電。當溫度升高或遭到光的照射時，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，成為自在電子本征激發(fā)。 自在電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，這個空位為空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在電子自在電子 因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自在電子和空穴是同時

3、成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。本征激發(fā)動畫1-1空穴空穴前往雜質半導體雜質半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半導體電子型半導體型半導體電子型半導體在本征半導體中摻入五價的元素(磷、砷、銻 )多余電子，多余電子，成為自在電子成為自在電子+5自在電子自在電子 在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。前往+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導體空穴型半導體型半導體空穴型半導體在本征半導體中摻入三價的元素硼+3空穴空穴空穴空穴前往N型半導體的多數(shù)載流子為電

4、子，少數(shù)載流子是空穴；P型半導體的多數(shù)載流子為空穴，少數(shù)載流子是電子。例：純真硅晶體中硅原子數(shù)為1022/cm3數(shù)量級， 在室溫下，載流子濃度為ni=pi=1010數(shù)量級， 摻入百萬分之一的雜質1/10-6，即雜質濃度為1022*1/106=1016數(shù)量級， 那么摻雜后載流子濃度為1016+1010，約為1016數(shù)量級，比摻雜前載流子添加106，即一百萬倍。前往10PN結的構成及特性PN結的構成及特性 PN結的單導游電性 PN結的構成PN結的構成 在一塊本征半導體兩側經(jīng)過分散不同的雜質,分別構成N型半導體和P型半導體。 內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場阻止多子分散 因濃度差多子的分散運動由雜質離子構成

5、空間電荷區(qū)由雜質離子構成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)構成內(nèi)電場 動畫+ 五價的元五價的元素素- 三價的元三價的元素素產(chǎn)生多余電子產(chǎn)生多余電子產(chǎn)生多余空穴產(chǎn)生多余空穴PN結的單導游電性 (1) PN結加正向電壓 外加的正向電壓，方向與PN結內(nèi)電場方向相反，減弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子分散運動的妨礙減弱，分散電流加大。分散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現(xiàn)低阻性。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。 動畫 外加反向電壓,方向與PN結內(nèi)電場方向一樣，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子分散運動的妨礙加強，分散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下構成的漂移電流大于分散

6、電流，可忽略分散電流，PN結呈現(xiàn)高阻性。 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。 在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決議的少子濃度是一定的，故少子構成的漂移電流是恒定的，根本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。 動畫2PN結加反向電壓結加反向電壓總之：PN結正向電阻小，反向電阻大單導游電性。前往半導體二極管半導體二極管 二極管 ：一個PN結就是一個二極管。單導游電：二極管正極接電源正極，負極接電源負極時電流可以經(jīng)過。反之電流不能經(jīng)過。符號： 二極管按構造分有點接觸型、面接觸型二大類。(1) 點接觸型二極管 PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(2)

7、面接觸型二極管 PN結面積大，用于大電流整流電路。半導體二極管的構造半導體二極管的伏安特性曲線 式中IS 為反向飽和電流，VD 為二極管兩端的電壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q 為電子電荷量，T 為熱力學溫度。對于室溫相當T=300 K，那么有VT=26 mV。) 1(eTSVVDII 第一象限的是正向伏安特性曲線，第三象限的是反向伏安特性曲線。(1) 正向特性 硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.50.8V左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.20.3 V左右。 當0VVth時，正向電流為零，Vth稱死區(qū)電壓或開啟電壓。正向區(qū)分為兩段： 當V Vth時，開場出現(xiàn)正向

8、電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。反向區(qū)也分兩個區(qū)域： 當VBRV0時，反向電流很小，且根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VVBR時，反向電流急劇添加，VBR稱為反向擊穿電壓 。(2) 反向特性 硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很?。绘N二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。 假設|VBR|7V時,主要是雪崩擊穿；假設|VBR|4V時, 那么主要是齊納擊穿。(3) 反向擊穿特性半導體二極管的參數(shù)(1) 最大整流電流IF(2) 反向擊穿電壓VBR(3) 反向電流IR(4) 正向壓降VF在室溫，規(guī)定的反向電壓下，最大反向任務電壓下

9、的反向電流值。硅二極管的反向電流普通在納安(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。硅二極管約0.60.8V；鍺二極管約0.20.3V。二極管延續(xù)任務時，允許流過的最大整流電流的平均值。二極管反向電流急劇添加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。為平安計，在實踐任務時，最大反向任務電壓VRM普通只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。二極管根本電路分析二極管根本電路分析正向偏置時：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時：電流為0，電阻為。當iD1mA時， vD=0.7V。20015.07.0mAVViVVrDthDD)()(26mAImVivrDQDDDDDthDr

10、iVV1.靜態(tài)分析靜態(tài)分析例例1：求：求VDD=10V時，二極時，二極管的管的 電流電流ID、電壓、電壓VD 值。值。解：解：正向偏置時：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時：電流為0，電阻為。mAKVVRVVIDDDD93. 0107 . 01020015 . 07 . 0mAVViVVrDthDDmAKKVVrRVVIDthDDD931. 02 . 0105 . 010VKmAVrIVVDDD69. 02 . 0931. 05 . 05 . 0VVD0mAKVRVIDDD11010當iD1mA時， vD=0.7V。VVD7 . 02.限幅電路VRVmvit0Vi VR時，二極管導通，vo=v

11、i。ViV1時，D1導通、D2截止，Vo=V1。ViV2時，D2導通、D1截止，Vo=V2。V2ViV1時，D1、D2均截止，Vo=Vi。特殊二極管特殊二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是運用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣。 穩(wěn)壓二極管在任務時應反接，并串入一只電阻。 電阻起限流作用，維護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，經(jīng)過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)理穩(wěn)壓管的任務電流，從而起到穩(wěn)壓作用。(2) 動態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向任務電流IZ下，所對應的反向任務電壓。 rZ =VZ /IZ， rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。 (3) 最大耗散功率 PZM 最大功率損耗取決于PN結的面積和散熱等條件。反向任務時PN結的功率損耗