PN結(jié)二極管課件黃秋柳PPT

PN結(jié)二極管黃秋柳2008-5-51內(nèi)容提要一、PN結(jié)二極管概述二、PN結(jié)二極管特性三、幾種特殊的二極管2一、PN結(jié)二極管概述半導(dǎo)體P型、N型半導(dǎo)體PN結(jié)PN結(jié)二極管正向特性反向特性擊穿特性3PN結(jié)的I-V特性UI反向擊穿電壓U(BR)正向特性：在正向曲線(xiàn)起始階段，電流增長(zhǎng)緩慢，這是由于內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)外電場(chǎng)的抵消作用。當(dāng)正向電壓增加到一定的值后（硅管約為0.7V鍺管約為0.2V），內(nèi)建電場(chǎng)被完全消除，電流增長(zhǎng)很快，近乎直線(xiàn)上升。反向特性：在“PN”結(jié)的額定擊穿電壓之前，反向偏置“PN”結(jié)的電流只由少數(shù)載流子漂移產(chǎn)生,其值基本上不隨反偏壓增大而上升。擊穿特性：當(dāng)加在“PN”結(jié)上的反向偏壓超過(guò)其設(shè)計(jì)的擊穿電壓后，“PN”結(jié)發(fā)生擊穿。①齊納擊穿②雪崩擊穿。IF（多子擴(kuò)散）正偏反偏I(xiàn)R（少子漂移）反向擊穿反向飽和電流Is4

根據(jù)理論分析：u為PN結(jié)兩端的電壓降i為流過(guò)PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

稱(chēng)為溫度的電壓當(dāng)量其中k為玻耳茲曼常數(shù)

1.38×10－23q

為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學(xué)溫度對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300K）則有UT=26mV。當(dāng)u>0u>>UT時(shí)當(dāng)u<0|u|>>|UT

|時(shí)5

PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線(xiàn)和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類(lèi)。(1)點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖6(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(kāi)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(hào)7PN結(jié)二極管工作原理不加外電壓時(shí)，擴(kuò)散電流=漂移電流電平衡狀態(tài)外電壓正偏時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抵消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加,引起正向電流。外電壓反偏時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無(wú)關(guān)的反向飽和電流Is。當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，p-n結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值發(fā)生載流子的倍增效應(yīng)，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，從而產(chǎn)生數(shù)值很大的反向擊穿電流，這稱(chēng)為二極管的擊穿現(xiàn)象。

8二、二極管的特性最重要的特性就是單方向?qū)щ娦?。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。

9正向特性

當(dāng)V＞0，即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當(dāng)0＜V＜Vth時(shí)，正向電流為零，Vth稱(chēng)為死區(qū)電壓或開(kāi)啟電壓。

當(dāng)V＞Vth時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。

硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性反向擊穿特性反向特性正向特性10反向特性當(dāng)V＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱(chēng)反向飽和電流IS。當(dāng)V≥VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱(chēng)為反向擊穿電壓。

硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性反向擊穿特性反向特性正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??；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過(guò)渡比較圓滑，反向飽和電流較大。11二極管的溫度特性溫度升高時(shí)，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(shí)，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VD大約減小2mV，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。12二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IF——二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)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——二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓VBR。為保證二極管安全工作，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。即VRM=0.5VBR13（3）反向電流IR——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(jí)；鍺二極管在微安(mA)級(jí)。

（4）正向壓降VD——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0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。

（5）動(dòng)態(tài)電阻rd——反映了二極管正向特性曲線(xiàn)斜率的倒數(shù)。顯然，rd與工作電流的大小有關(guān)，即

rd=△VD/△ID

14三、幾種特殊的二極管整流二極管、檢波二極管、開(kāi)關(guān)二極管——利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦苑€(wěn)壓二極管、雪崩二極管——利用PN結(jié)擊穿特性變?nèi)荻O管——利用結(jié)電容隨外電壓變化效應(yīng)15整流二極管主要用于整流電路中。它是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦园呀涣麟娹D(zhuǎn)變成脈動(dòng)直流電。一般，它用硅材料做成面結(jié)合型，因此其結(jié)電容較大，但是其頻率范圍較窄且低，在3KHz以下。

檢波二極管作用：利用其單向?qū)щ娦詫⒏哳l或中頻無(wú)線(xiàn)電信號(hào)中的低頻信號(hào)或音頻信號(hào)取出來(lái)。工作原理：由于檢波二極管的單向?qū)щ娦?，調(diào)幅信號(hào)通過(guò)二極管時(shí)，其負(fù)向部分被截去，僅留下其正向部分。此時(shí)，如在每個(gè)信號(hào)周期取平均值（低通濾波），所得為調(diào)幅信號(hào)的波包，即基帶低頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了解調(diào)（檢波）功能。廣泛用于半導(dǎo)體收音機(jī)、收錄機(jī)、電視機(jī)及通信等設(shè)備的小信號(hào)電路中。16開(kāi)關(guān)二極管作用：在電路中控制電流接通或關(guān)斷（在PN結(jié)加上正向電壓后，其導(dǎo)通電阻很?。欢由戏聪螂妷汉蠼刂?，其電阻很大。）開(kāi)關(guān)時(shí)間=開(kāi)通時(shí)間+反向恢復(fù)時(shí)間

開(kāi)關(guān)時(shí)間：開(kāi)關(guān)二極管從截止到導(dǎo)通所需的時(shí)間

反向恢復(fù)時(shí)間：開(kāi)關(guān)二極管導(dǎo)通到截止所需的時(shí)間。

硅開(kāi)關(guān)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間只有幾個(gè)納秒（ns），即10-9級(jí)秒；鍺開(kāi)關(guān)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間要長(zhǎng)一些，但也只有幾百納秒。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制電路。17當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管穩(wěn)壓二極管利用穩(wěn)壓二極管微小的電壓變化引起極大的電流變化的特點(diǎn)快速地把變化的電壓反饋到電壓調(diào)節(jié)電阻上，在穩(wěn)壓電路中串聯(lián)一個(gè)合適的電壓調(diào)節(jié)電阻就可以把電壓調(diào)節(jié)在需要的值上。

18穩(wěn)壓二極管的主要

參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ——在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——在規(guī)定的工作電流下，穩(wěn)壓值的微小變化與通過(guò)二極管電流的變量的比值。動(dòng)態(tài)電阻值是衡量穩(wěn)壓管穩(wěn)壓能力的一個(gè)參數(shù)。穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻隨工作電流大小而改變，工作電流越大，動(dòng)態(tài)電阻越小，工作電流越小，動(dòng)態(tài)電阻越大。

rZ=U/I

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin——保證穩(wěn)壓管擊穿所對(duì)應(yīng)的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax——超過(guò)Izmax穩(wěn)壓管會(huì)因功耗過(guò)大而燒壞。19雪崩二極管在外加電壓作用下可以產(chǎn)生高頻振蕩

產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理：利用雪崩擊穿對(duì)晶體注入載流子，因載流子渡越晶片需要一定的時(shí)間，所以其電流滯后于電壓，出現(xiàn)延遲時(shí)間，若適當(dāng)?shù)乜刂贫稍綍r(shí)間，那么，在電流和電壓關(guān)系上就會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，從而產(chǎn)生高頻振蕩。常被應(yīng)用于微波領(lǐng)域的振蕩電路中。

20雪崩擊穿與齊納擊穿雪崩擊穿：在電場(chǎng)作用下，載流子能量增大，不斷與晶體原子相碰，使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的載流子又通過(guò)碰撞產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)，這就是倍增效應(yīng)。1生2，2生4，像雪崩一樣增加載流子。

反偏pn結(jié)的雪崩擊穿過(guò)程21齊納擊穿：在高的反向電壓下，PN結(jié)中存在強(qiáng)電場(chǎng)，它能夠直接破壞共價(jià)鍵，將束縛電子分離，形成電子-空穴對(duì)，形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場(chǎng)強(qiáng)度很大,只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)才做得到。（雜質(zhì)大電荷密度就大）

雪崩擊穿與齊納擊穿一般的二極管摻雜濃度沒(méi)這么高，它們的電擊穿都是雪崩擊穿。齊納擊穿大多出現(xiàn)在特殊的二極管中，就是穩(wěn)壓二極管

反偏pn結(jié)的齊納擊穿的物理機(jī)理22變?nèi)荻O管勢(shì)壘電容示意圖擴(kuò)散電容示意圖利用pn結(jié)電容（勢(shì)壘電容)與其反向偏置電壓Vr的依賴(lài)關(guān)系及原理制成的二極管。（在一定的范圍內(nèi)，變?nèi)荻O管的反向偏壓越小，結(jié)電容越大，反之，反向偏壓越大，結(jié)電容就越小。）結(jié)電容一般只有幾個(gè)皮法，至多一、二百皮法，所以變?nèi)荻O管都用于高頻電路，例如作為電視接收機(jī)調(diào)諧回路中的可變電容器。

C的阻抗＝1/(ωC)23PN結(jié)的其他應(yīng)用使半導(dǎo)體的光電效應(yīng)與PN結(jié)相結(jié)合可制作多種光電器件舉例：利用前向偏置異質(zhì)結(jié)的載流子注入與復(fù)合可以制造半導(dǎo)體激光二極管與半導(dǎo)體發(fā)光二極管。利用光輻射對(duì)PN結(jié)反向電流的調(diào)制作用可制作光電探測(cè)器。利用光生伏特效應(yīng)可制成太陽(yáng)能電池。構(gòu)成雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的核心24激光二極管激光產(chǎn)生的條件：①實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（前提條件）用一定的方法去激發(fā)原子群體，使亞穩(wěn)態(tài)上的原子數(shù)目超過(guò)基態(tài)上的。該過(guò)程稱(chēng)為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。例如，氦氖激光器中，通過(guò)氦原子的協(xié)助，使氖原子中的兩個(gè)能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而獲得激光。②滿(mǎn)足閾值條件P1P2exp(2G2A)=1（P1P2是兩個(gè)反射鏡的反射率；G是激活物質(zhì)的增益系數(shù)；A是介質(zhì)的損耗系數(shù)；exp為常數(shù)）（受激輻射放大的增益大于激光器內(nèi)的各種損耗,保證輸出穩(wěn)定的激光）③滿(mǎn)足諧振條件f=qc/2NL表明諧振腔長(zhǎng)度L和折射率N確定后，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩(wěn)定的激光。25激光二極管結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時(shí)，注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴發(fā)生復(fù)合——自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，經(jīng)過(guò)已發(fā)射的電子—空穴對(duì)附近，激勵(lì)二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子——受激輻射。如果注入電流足夠大，則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說(shuō)對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線(xiàn)的相干光——激光垂直于PN結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里——珀羅諧振腔，它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過(guò)拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對(duì)粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。26發(fā)光二極管發(fā)光原理：制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于PN