好資料二極管

好資料二極管第1頁(yè)/共45頁(yè)1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)的導(dǎo)電特性取決于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價(jià)元素,如銅、鐵、鋁等金屬,其最外層電子受原子核的束縛力很小,因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場(chǎng)作用下,這些電子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)(稱為漂移運(yùn)動(dòng))形成電流,呈現(xiàn)出較好的導(dǎo)電特性。高價(jià)元素(如惰性氣體)和高分子物質(zhì)(如橡膠,塑料)最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng),極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子,所以其導(dǎo)電性極差,可作為絕緣材料。而半導(dǎo)體材料最外層電子既不像導(dǎo)體那樣極易擺脫原子核的束縛,成為自由電子,也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊,因此,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性介于二者之間。第2頁(yè)/共45頁(yè)1.1.1本征半導(dǎo)體純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺,它們都是四價(jià)元素,在原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有四個(gè)價(jià)電子。為便于討論,采用圖1-１所示的簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型。把硅或鍺材料拉制成單晶體時(shí),相鄰兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子(價(jià)電子)成為共有電子,它們一方面圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng),另一方面又出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上。即價(jià)電子不僅受到自身原子核的作用,同時(shí)還受到相鄰原子核的吸引。于是,兩個(gè)相鄰的原子共有一對(duì)價(jià)電子,組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。故晶體中,每個(gè)原子都和周圍的４個(gè)原子用共價(jià)鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來(lái),如圖１-２所示。第3頁(yè)/共45頁(yè)圖1–1硅和鍺簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型圖1–2本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)示意圖第4頁(yè)/共45頁(yè)

共價(jià)鍵中的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)而獲得一定的能量,其中少數(shù)能夠擺脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子,同時(shí)必然在共價(jià)鍵中留下空位,稱為空穴?？昭◣д?如圖1-３所示。圖1–3本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴第5頁(yè)/共45頁(yè)

由此可見,半導(dǎo)體中存在著兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。本征半導(dǎo)體中,自由電子與空穴是同時(shí)成對(duì)產(chǎn)生的,因此,它們的濃度是相等的。我們用n和p分別表示電子和空穴的濃度,即ni=pi,下標(biāo)i表示為本征半導(dǎo)體。第6頁(yè)/共45頁(yè)

價(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)中獲得能量產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)。同時(shí)自由電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中失去能量,與空穴相遇,使電子、空穴對(duì)消失,這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生過(guò)程和復(fù)合過(guò)程是相對(duì)平衡的,載流子的濃度是一定的。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度,除了與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外,還與溫度有關(guān),而且隨著溫度的升高,基本上按指數(shù)規(guī)律增加。因此,半導(dǎo)體載流子濃度對(duì)溫度十分敏感。對(duì)于硅材料,大約溫度每升高８℃,本征載流子濃度ni增加1倍；對(duì)于鍺材料,大約溫度每升高１２℃,ｎｉ增加1倍。除此之外,半導(dǎo)體載流子濃度還與光照有關(guān),人們正是利用此特性,制成光敏器件。第7頁(yè)/共45頁(yè)1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.Ｎ型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中,摻入微量５價(jià)元素,如磷、銻、砷等,則原來(lái)晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有５個(gè)價(jià)電子,因此它與周圍４個(gè)硅(鍺)原子組成共價(jià)鍵時(shí),還多余1個(gè)價(jià)電子。它不受共價(jià)鍵的束縛,而只受自身原子核的束縛,因此,它只要得到較少的能量就能成為自由電子,并留下帶正電的雜質(zhì)離子,它不能參與導(dǎo)電,如圖１-４所示。顯然,這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度,即nn>>pn(下標(biāo)ｎ表示是Ｎ型半導(dǎo)體),主要靠電子導(dǎo)電,所以稱為Ｎ型半導(dǎo)體。由于５價(jià)雜質(zhì)原子可提供自由電子,故稱為施主雜質(zhì)。Ｎ型半導(dǎo)體中,自由電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少數(shù)載流子。第8頁(yè)/共45頁(yè)圖1-4N型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)第9頁(yè)/共45頁(yè)

2.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中,摻入微量３價(jià)元素,如硼、鎵、銦等,則原來(lái)晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。圖1–5P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)第10頁(yè)/共45頁(yè)

P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@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)。第11頁(yè)/共45頁(yè)一、PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)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(shí)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(guò)程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

1.1.3ＰＮ結(jié)

第12頁(yè)/共45頁(yè)

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

圖1－6PN結(jié)的形成過(guò)程

PN結(jié)形成的過(guò)程可參閱圖1–6。第13頁(yè)/共45頁(yè)二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

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(jiǎn)稱正偏；PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從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(jiǎn)稱反偏。第14頁(yè)/共45頁(yè)

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

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(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(shí)的導(dǎo)電情況如圖1－7所示。

圖1－7PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況第15頁(yè)/共45頁(yè)

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

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(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)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，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖1－8所示。圖1－8PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況第16頁(yè)/共45頁(yè)

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，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(shí)，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結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

圖1－9PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況第17頁(yè)/共45頁(yè)1.2半導(dǎo)體的特性及主要參數(shù)1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型

在PN結(jié)上加上引線和封裝，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。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1－10所示。PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。

往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。第18頁(yè)/共45頁(yè)圖1–10半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)第19頁(yè)/共45頁(yè)1.2.2二極管的伏安特性圖1–11二極管的伏安特性曲線第20頁(yè)/共45頁(yè)(1)正向特性：當(dāng)U＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：當(dāng)0＜U＜Uth時(shí)，正向電流為零，Uth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓；當(dāng)U＞Uth時(shí)，開始出現(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Uth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Uth=0.1V左右。實(shí)際電路中二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，硅管的Ｕｏｎ約為０.６～０.８V,鍺管的Ｕｏｎ約為０.１～０.３V。通常取硅管Ｕon＝0.7V，鍺管Ｕon＝0.2V。

(2)反向特性：二極管加反向電壓,反向電流數(shù)值很第21頁(yè)/共45頁(yè)(3)二極管的溫度特性：二極管的特性對(duì)溫度很敏感,溫度升高,正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。其規(guī)律是：在室溫附近,在同一電流下,溫度每升高１℃,正向壓降減?。病?５ｍV；溫度每升高１０℃,反向電流約增大1倍。小,且基本不變,稱反向飽和電流。硅管反向飽和電流為納安(ｎΑ)數(shù)量級(jí),鍺管的為微安數(shù)量級(jí)。當(dāng)反向電壓加到一定值時(shí),反向電流急劇增加,產(chǎn)生擊穿。普通二極管反向擊穿電壓一般在幾十伏以上(高反壓管可達(dá)幾千伏)。第22頁(yè)/共45頁(yè)1.2.3二極管的擊穿特性

當(dāng)反向電壓超過(guò)反向擊穿電壓UB時(shí)，反向電流將急劇增大，而PN結(jié)的反向電壓值卻變化不大，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。有兩種解釋：雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓足夠高時(shí)（U>6V）PN結(jié)中內(nèi)電場(chǎng)較強(qiáng)，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價(jià)電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，又被加速，而形成連鎖反應(yīng)，使載流子劇增，反向電流驟增。齊納擊穿：對(duì)摻雜濃度高的半導(dǎo)體，PN結(jié)的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓（U<4V），耗盡層可獲得很大的場(chǎng)強(qiáng)，足以將價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來(lái)，而獲得更多的電子空穴對(duì)，使反向電流驟增。第23頁(yè)/共45頁(yè)

1.2.4

二極管的主要參數(shù)

1、最大整流電流ＩＦ。它是二極管允許通過(guò)的最大正向平均電流。工作時(shí)應(yīng)使平均工作電流小于ＩＦ,如超過(guò)ＩＦ,二極管將過(guò)熱而燒毀。此值取決于ＰＮ結(jié)的面積、材料和散熱情況。

2、最大反向工作電壓ＵＲ。這是二極管允許的最大工作電壓。當(dāng)反向電壓超過(guò)此值時(shí),二極管可能被擊穿。為了留有余地,通常取擊穿電壓的一半作為ＵＲ。第24頁(yè)/共45頁(yè)3、反向電流ＩＲ。指二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。此值越小,二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩Ｓ捎诜聪螂娏魇怯缮贁?shù)載流子形成,所以ＩＲ值受溫度的影響很大。

4、最高工作頻率ｆＭ。ｆＭ的值主要取決于ＰＮ結(jié)結(jié)電容的大小,結(jié)電容越大,則二極管允許的最高工作頻率越低。第25頁(yè)/共45頁(yè)1.3二極管電路的分析方法

線性化：用線性電路的方法來(lái)處理，將非線性器件用恰當(dāng)?shù)脑M(jìn)行等效，建立相應(yīng)的模型。（1）理想二極管模型：相當(dāng)于一個(gè)理想開關(guān)，正偏時(shí)二極管導(dǎo)通管壓降為0V，反偏時(shí)電阻無(wú)窮大，電流為零。（2）理想二極管串聯(lián)恒壓降模型：二極管導(dǎo)通后，其管壓降認(rèn)為是恒定的，且不隨電流而變，典型值為0.7V。該模型提供了合理的近似，用途廣泛。注意：二極管電流近似等于或大于1mA正確。第26頁(yè)/共45頁(yè)（3）折線模型：修正恒壓降模型，認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，而隨二極管的電流增加而增加，模型中用一個(gè)電池和電阻rD來(lái)作進(jìn)一步的近似，此電池的電壓選定為二極管的門坎電壓Uth，約為0.5V，rD的值為200歐。由于二極管的分散性，Uth、rD的值不是固定的。（4）小信號(hào)模型：如果二極管在它的V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作，例如靜態(tài)工作點(diǎn)Q（此時(shí)有uD=UD、iD=ID）附近工作，則可把V-I特性看成一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所求的小信號(hào)模型的微變電阻rd。第27頁(yè)/共45頁(yè)1.4.1穩(wěn)壓二極管圖1-12穩(wěn)壓管伏安特性和符號(hào)1.4特殊二極管第28頁(yè)/共45頁(yè)圖1-17穩(wěn)壓管電路第29頁(yè)/共45頁(yè)1.穩(wěn)定電壓Uz

穩(wěn)定電壓是穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定工作電壓。由于穩(wěn)定電壓隨著工作電流的不同而略有變化,因而測(cè)試Uz時(shí)應(yīng)使穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定值。穩(wěn)定電壓Ｕｚ是根據(jù)要求挑選穩(wěn)壓管的主要依據(jù)之一。不同型號(hào)的穩(wěn)壓管,其穩(wěn)定電壓值不同。同一型號(hào)的管子,由于制造工藝的分散性,各個(gè)管子的Ｕｚ值也有差別。例如穩(wěn)壓管２DW7C,其Ｕｚ＝６.1～６.５V,表明均為合格產(chǎn)品,其穩(wěn)定值有的管子是６.１V,有的可能是６.５V等等,但這并不意味著同一個(gè)管子的穩(wěn)定電壓的變化范圍有如此大。第30頁(yè)/共45頁(yè)

2.穩(wěn)定電流Iz

穩(wěn)定電流是使穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的最小電流,低于此值時(shí)穩(wěn)壓效果較差。工作時(shí)應(yīng)使流過(guò)穩(wěn)壓管的電流大于此值。一般情況是,工作電流較大時(shí),穩(wěn)壓性能較好。但電流要受管子功耗的限制,即Izmax=Pz/Uz。第31頁(yè)/共45頁(yè)3.電壓溫度系數(shù)α

α指穩(wěn)壓管溫度變化１℃時(shí),所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。一般情況下,穩(wěn)定電壓大于７V的穩(wěn)壓管,α為正值,即當(dāng)溫度升高時(shí),穩(wěn)定電壓值增大。如２CW１７,Ｕｚ＝９～10.5V,α＝０.０９%/℃,說(shuō)明當(dāng)溫度升高１℃時(shí),穩(wěn)定電壓增大0.09%。而穩(wěn)定電壓小于４V的穩(wěn)壓管,α為負(fù)值,即當(dāng)溫度升高時(shí),穩(wěn)定電壓值減小,如２CW11,Ｕｚ＝３.２～４.５V,α＝－(０.０５%～０.０３%)／℃,若α＝－０.０５%／℃,表明當(dāng)溫度升高１℃時(shí),穩(wěn)定電壓減小0.05%。穩(wěn)定電壓在４～７V間的穩(wěn)壓管,其α值較小,穩(wěn)定電壓值受溫度影響較小,性能比較穩(wěn)定。第32頁(yè)/共45頁(yè)

4.動(dòng)態(tài)電阻rz

ｒｚ是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí),兩端電壓變化量與電流變化量之比,即ｒｚ＝ΔＵ／ΔＩ。ｒｚ值越小,則穩(wěn)壓性能越好。同一穩(wěn)壓管,一般工作電流越大時(shí),ｒｚ值越小。通常手冊(cè)上給出的ｒｚ值是在規(guī)定的穩(wěn)定電流之下測(cè)得的。第33頁(yè)/共45頁(yè)5.額定功耗Pz

由于穩(wěn)壓管兩端的電壓值為Ｕｚ,而管子中又流過(guò)一定的電流,因此要消耗一定的功率。這部分功耗轉(zhuǎn)化為熱能,會(huì)使穩(wěn)壓管發(fā)熱。Ｐｚ取決于穩(wěn)壓管允許的溫升。1.4.2光電二極管1.發(fā)光二極管圖1-13發(fā)光二極管符號(hào)2.光敏二極管圖1-14光電二極管符號(hào)第34頁(yè)/共45頁(yè)1.5半導(dǎo)體二極管特性珠測(cè)試與應(yīng)用1.5.1半導(dǎo)體器件型號(hào)命名方法一、半導(dǎo)體器件的型號(hào)由五個(gè)部分組成二、的型號(hào)組成部分的符號(hào)及其意義（見教材P18表）第35頁(yè)/共45頁(yè)附：二極管的應(yīng)用二極管的運(yùn)用基礎(chǔ),就是二極管的單向?qū)щ娞匦?因此,在應(yīng)用電路中,關(guān)鍵是判斷二極管的導(dǎo)通或截止。二極管導(dǎo)通時(shí)一般用電壓源ＵＤ＝０.７V(硅管,如是鍺管用０.３V)代替,或近似用短路線代替。截止時(shí),一般將二極管斷開,即認(rèn)為二極管反向電阻為無(wú)窮大。二極管的整流電路放在第八章直流電源中討論。1.5.2半導(dǎo)體二極管參數(shù)選錄（見教材P19）第36