中職機(jī)械授課件半導(dǎo)體二極管基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)(同名552)

1、半導(dǎo)體二極管基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的伏安特性及電容效應(yīng)1. 本征半導(dǎo)體1. 什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？ 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體。 導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。 半導(dǎo)體硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。 本征半導(dǎo)體是完全不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體。穩(wěn)定的結(jié)構(gòu) 晶格

2、：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣，稱(chēng)為晶格。 晶體結(jié)構(gòu)即晶體的微觀結(jié)構(gòu)，是指晶體中實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）的具體排列情況。自然界存在的固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩大類(lèi)，固態(tài)的金屬與合金大都是晶體。晶體與非晶體的最本質(zhì)差別在于組成晶體的原子、離子、分子等質(zhì)點(diǎn)是規(guī)則排列的（長(zhǎng)程序），而非晶體中這些質(zhì)點(diǎn)除與其最近鄰?fù)?，基本上無(wú)規(guī)則地堆積在一起（短程序）。金屬及合金在大多數(shù)情況下都以結(jié)晶狀態(tài)使用。晶體結(jié)構(gòu)是決定固態(tài)金屬的物理、化學(xué)和力學(xué)性能的基本因素之一。 半導(dǎo)體五大特性摻雜性，熱敏性，光敏性，負(fù)電阻率溫度特性，整流特性。 電阻率是用來(lái)表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量。某種材料制成的長(zhǎng)1米、橫截

3、面積是1平方毫米的導(dǎo)線(xiàn)的電阻，叫做這種材料的電阻率。 摻雜性：在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素，導(dǎo)電性能具有可控性。 熱敏性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)。半導(dǎo)體材料性能對(duì)溫度的敏感性，可制作熱敏器件，又造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。 光敏性：在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性有明顯的變化。可制作成光敏器件，如光電池。 負(fù)電阻率溫度特性：溫度升高時(shí)電阻率則減小。 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：相鄰的兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子（即價(jià)電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運(yùn)動(dòng)，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構(gòu)成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由

4、電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱(chēng)為空穴2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱(chēng)為復(fù)合。 一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱(chēng)為載流子。 外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。 溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。 熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子 電子電流：在外加電場(chǎng)的作用下，自由電子產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電子電流（負(fù)電）。 空穴電流：價(jià)電子按一定的方向依次填補(bǔ)空穴（即空穴

5、也產(chǎn)生定向移動(dòng)），形成空穴電流（正電）。 本征半導(dǎo)體的電流：電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同，它們運(yùn)動(dòng)方向相反。 導(dǎo)體的特點(diǎn)：導(dǎo)體導(dǎo)電只有一種載流子，即自由電子導(dǎo)電。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，熱穩(wěn)定性也很差，不宜直接用它制造半導(dǎo)體器件。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(jià)或五價(jià)元素。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。 摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體叫做雜質(zhì)半導(dǎo)體。 1. N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子磷（P） N型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置形成N型半導(dǎo)

6、體。 多子：N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子簡(jiǎn)稱(chēng)多子。 少子：N型半導(dǎo)體中，空穴為少數(shù)載流子簡(jiǎn)稱(chēng)少子。 N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。受主原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱(chēng)受主原子。施主原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱(chēng)施子原子。 1. P型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體 。 多子： P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子。 少子： P型半導(dǎo)體中，自由電子為少數(shù)載流子。 P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，多數(shù)載流子硼（B）三、PN結(jié)的形成及其單

7、向?qū)щ娦?P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時(shí)，其交界區(qū)域稱(chēng)為PN結(jié)。過(guò)程如下：P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)。 物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氣體、液體、固體均有之。PN 結(jié)的形成 由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，因?yàn)閯倓倲U(kuò)散過(guò)來(lái)就會(huì)立刻與異性復(fù)合，從而少子唱主角。此運(yùn)動(dòng)不斷發(fā)生著， P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們基本上是固定的，稱(chēng)為空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)具有一定的寬度，有電位差，形成內(nèi)電場(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子

8、從P區(qū)向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)。空間電荷區(qū)又叫耗盡層或阻擋層。漂移運(yùn)動(dòng) 因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。 參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。PN 結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN結(jié)正偏動(dòng)畫(huà)演示P區(qū)N區(qū)PN結(jié)反偏動(dòng)畫(huà)演示P區(qū)N區(qū)四、PN 結(jié)的伏安特性正向特性：u0的部分稱(chēng)為正向特性。反向特性：ut0，二極管上的正向電壓突然變成反向電壓， IF迅速下降，在t=t1時(shí)刻，I

9、F=0。 ts 內(nèi)二極管上流過(guò)反向電流IR，但電流并不立刻成為I rr ,而是逐漸增大；在t=t2時(shí)刻達(dá)到最大反向恢復(fù)電流IRM值tf 時(shí)間, 反向電流逐漸變小,并在t=t3時(shí)刻達(dá)到規(guī)定值Irr , ts 稱(chēng)為儲(chǔ)存時(shí)間, tf 稱(chēng)為下降時(shí)間。trr= ts+ tf 稱(chēng)為反向恢復(fù)時(shí)間, 以上過(guò)程稱(chēng)為反向恢復(fù)過(guò)程。從t2到t3的反向恢復(fù)過(guò)程與電容器放電過(guò)程有相似之處。ts（t1t2）tf （t3t4）原理 這實(shí)際上是由電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過(guò)程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當(dāng)做開(kāi)關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間比trr 短, 則二極管在正、反向都可導(dǎo)通, 起

10、不到開(kāi)關(guān)作用。因此了解二極管反向恢復(fù)時(shí)間對(duì)正確選取管子和合理設(shè)計(jì)電路至關(guān)重要。與普通二極管反向恢復(fù)電流對(duì)比測(cè)量反向恢復(fù)時(shí)間 連接測(cè)試電路，使用脈沖發(fā)生器發(fā)出方波信號(hào)，利用電子示波器觀察到的trr值，即是從I=0的時(shí)刻到IR=Irr時(shí)刻所經(jīng)歷的時(shí)間。（如右圖），設(shè)器件內(nèi)部的反向恢電荷為Qrr，有關(guān)系式： trr2Qrr/IRM 由上式可知，當(dāng)IRM為一定時(shí)，反向恢復(fù)電荷愈小，反向恢復(fù)時(shí)間就愈短。 5A以下的快恢復(fù)二極管則采用DO41、DO15或DO27等規(guī)格塑料封裝。 5A-20A以下的快恢復(fù)及超快恢復(fù)二極管大多采用TO-220封裝形式。 幾十安的快恢復(fù)二極管一般采用TO-3P金屬殼封裝。更大容

11、量（幾百安幾千安）的管子則采用螺栓型或平板型封裝形式。 從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，可分成單管、對(duì)管（亦稱(chēng)雙管）兩種。對(duì)管內(nèi)部包含兩只快恢復(fù)二極管，根據(jù)兩只二極管接法的不同，又有共陰對(duì)管、共陽(yáng)對(duì)管之分。注意事項(xiàng)1）有些單管，共三個(gè)引腳，中間的為空腳，一般在出廠時(shí)剪掉，但也有不剪的。2）若對(duì)管中有一只管子損壞，則可作為單管使用。封裝 橋堆是由兩個(gè)或四個(gè)整流二極管組成，測(cè)試時(shí)只需要作為幾個(gè)二極管分別測(cè)試即可，測(cè)試方法與普通二極管相同。橋堆或高壓硅堆的測(cè)試 高壓硅堆內(nèi)部是由多只高壓整流二極管（硅粒）串聯(lián)組成，檢測(cè)時(shí)，可用萬(wàn)用表的R10k檔測(cè)量其正、反向電阻值。正常的高壓硅堆，其正向電阻值大于200k，反向電阻值為

12、無(wú)窮大。若測(cè)得其正、反向均有一定電阻值，則說(shuō)明該高壓硅堆已軟擊穿損壞。與肖特基二極管比較參數(shù)肖特基二極管快恢復(fù)二極管超快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時(shí)間幾納秒數(shù)百納秒幾十納秒正向?qū)▔航?.3-0.6V0.8-1.1V0.8-1.1V反向耐壓40V-50V幾百伏1200V反向漏電流大小小 SBD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。 SBD的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)使其適合于在低壓、大電流輸出場(chǎng)合用作高頻整流，在非常高的頻率下用于檢波和混頻，在高速邏輯電路中用作箝位。其多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管，也有用在微波通信等電路中作整流二極管、小信

13、號(hào)檢波二極管使用。在通信電源、變頻器等中比較常見(jiàn)。 肖特基二極管是肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode,縮寫(xiě)成SBD）的簡(jiǎn)稱(chēng)。是以其發(fā)明人肖特基博士（Schottky）命名的。 肖特基二極管是一種低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件。其反向恢復(fù)時(shí)間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流卻可達(dá)到幾千毫安。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管所無(wú)法比擬的。3.肖特基二極管（SBD） 典型的肖特基整流管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)是以N型半導(dǎo)體為基片，在上面形成用砷作摻雜劑的N-外延層。陽(yáng)極使用鉬或鋁等材料制成阻檔層。用二氧化硅（SiO2）來(lái)消除邊緣區(qū)域的電場(chǎng)，提高管子的耐壓值。N

14、型基片具有很小的通態(tài)電阻，其摻雜濃度較H-層要高100%倍。在基片下邊形成N+陰極層，其作用是減小陰極的接觸電阻。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，N型基片和陽(yáng)極金屬之間便形成肖特基勢(shì)壘， 當(dāng)在肖特基勢(shì)壘兩端加上正向偏壓（陽(yáng)極金屬接電源正極，N型基片接電源負(fù)極）時(shí)，肖特基勢(shì)壘層變窄，其內(nèi)阻變?。环粗?，若在肖特基勢(shì)壘兩端加上反向偏壓時(shí)，肖特基勢(shì)壘層則變寬，其內(nèi)阻變大。結(jié)構(gòu)工作原理 肖特基二極管以貴金屬（金、銀、鋁、鉑等）A為正極，以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極，因?yàn)镹型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，貴金屬中僅有極少量的自由電子，所以電子便從濃度高的B中向濃度低的A中擴(kuò)散。顯然，金屬A中沒(méi)有空穴，也就不存在空穴自A向B的擴(kuò)散運(yùn)

15、動(dòng)。 隨著電子不斷從B擴(kuò)散到A，B表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢(shì)壘，其電場(chǎng)方向?yàn)锽A。但在該電場(chǎng)作用之下，A中的電子也會(huì)產(chǎn)生從AB的漂移運(yùn)動(dòng)，從而消弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場(chǎng)。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場(chǎng)引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)的平衡，便形成了肖特基勢(shì)壘。優(yōu)點(diǎn) 肖特基二極體最大的缺點(diǎn)是其反向偏壓較低及反向漏電流偏大，像使用硅及金屬為材料的肖特基二極體，其反向偏壓額定耐壓最高只到 50V，而反向漏電流值為正溫度特性，容易隨著溫度升高而急遽變大，實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)上需注意其熱失控的隱憂(yōu)。 SBD具有開(kāi)關(guān)頻率高和正向壓降低等優(yōu)點(diǎn)，但其反向擊穿電壓比

16、較低，大多不高于60V，最高僅約100V，以致于限制了其應(yīng)用范圍。像在開(kāi)關(guān)電源和功率因數(shù)校正（PFC）電路中功率開(kāi)關(guān)器件的續(xù)流二極管、變壓器次級(jí)用100V以上的高頻整流二極管、以及PFC升壓用600V二極管等，只有使用快速恢復(fù)外延二極管（FRED）和超快速恢復(fù)二極管（UFRD）。目前UFRD的反向恢復(fù)時(shí)間Trr也在20ns以上，根本不能滿(mǎn)足像空間站等領(lǐng)域用1MHz3MHz的需要。缺點(diǎn)發(fā)光二極管（英語(yǔ)：Light-Emitting Diode，簡(jiǎn)稱(chēng)LED） 是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴Ｓ涉墸℅a）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，

17、當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見(jiàn)光，因而可以用來(lái)制成發(fā)光二極管。具有效率高、壽命長(zhǎng)、不易破損、開(kāi)關(guān)速度高、高可靠性等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點(diǎn)。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示，也用作照明。4.發(fā)光二極管（LED） 發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片-PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，當(dāng)電流流過(guò)時(shí)，電子與空穴在其內(nèi)復(fù)合，會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，這叫電致發(fā)光效應(yīng)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。發(fā)光原理 PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。而光線(xiàn)的波長(zhǎng)、顏色跟其所采用的半導(dǎo)體材料種類(lèi)與摻入的元素雜質(zhì)有關(guān)。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化

18、硅二極管發(fā)黃光。 發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線(xiàn)很陡，使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過(guò)管子的電流。限流電阻R可用下式計(jì)算： R=（EUF）/IF式中E為電源電壓，UF為L(zhǎng)ED的正向壓降，IF為L(zhǎng)ED的一般工作電流限流電阻 發(fā)光二極管還可分為普通單色發(fā)光二極管、高亮度發(fā)光二極管、超高亮度發(fā)光二極管、變色發(fā)光二極管、閃爍發(fā)光二極管、電壓控制型發(fā)光二極管、紅外發(fā)光二極管和負(fù)阻發(fā)光二極管等。分類(lèi)正負(fù)極區(qū)分長(zhǎng)腳為正短腳為負(fù)七段數(shù)碼顯示管 英文名：Freewheeling diode （簡(jiǎn)稱(chēng)：FWD），由于在電路中起到續(xù)流的作用而得名，它反向并聯(lián)在電感線(xiàn)圈、繼電器、可控硅等儲(chǔ)能元件兩

19、端，在電路中電壓或電流出現(xiàn)突變時(shí)，對(duì)電路中其它元件起保護(hù)作用。一般選擇快速恢復(fù)二極管或者肖特基二極管來(lái)作為“續(xù)流二極管”。5.續(xù)流二極管（FWD） 以電感線(xiàn)圈為例，當(dāng)線(xiàn)圈中有電流通過(guò)時(shí)，其兩端會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。當(dāng)電流消失時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路中的元件產(chǎn)生反向電壓。當(dāng)反向電壓高于元件的反向擊穿電壓時(shí)，會(huì)把元件如三極管等燒壞。如果在線(xiàn)圈兩端反向并聯(lián)一個(gè)二極管(有時(shí)候會(huì)串接一個(gè)電阻)，當(dāng)流過(guò)線(xiàn)圈中的電流消失時(shí)，線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就會(huì)通過(guò)二極管和線(xiàn)圈構(gòu)成的回路消耗掉，從而保證電路中的其它元件的安全。作用 右圖給出了續(xù)流二極管的典型應(yīng)用電路，其中電阻R視情況決定是否需要。儲(chǔ)能元件在VT導(dǎo)通時(shí)，電壓為上正下負(fù)，電流方向從上向下。當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能元件中的電流突然中斷，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向是力圖保持電流不變，即總想保持儲(chǔ)能元件電流方向從上向下。這個(gè)感應(yīng)電勢(shì)與電源電壓疊加后加在VT兩端，容易使VT擊穿，為此可以加上VD，這樣就可以將儲(chǔ)能元件產(chǎn)生的