《半導(dǎo)體二極管及》

第二章

半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路整理ppt§2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（一）半導(dǎo)體2.1.1半導(dǎo)體材料其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。半導(dǎo)體具有某些特殊性質(zhì)：如壓敏熱敏及摻雜特性，導(dǎo)電能力改變。整理ppt2.1.2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(diǎn)GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。整理ppt本征半導(dǎo)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)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：整理ppt硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子整理ppt共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，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。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4整理ppt二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴整理ppt+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子整理ppt2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。整理ppt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(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。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：

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。整理ppt（二）雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中人為摻入某種“雜質(zhì)”元素形成的半導(dǎo)體。分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。一N型半導(dǎo)體：在本征Si和Ge中摻入微量V族元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。所摻入V族元素稱為施主雜質(zhì)，簡(jiǎn)稱施主（能供給自由電子）。右圖（2-1）整理ppt

二P型半導(dǎo)體：在本征Si和Ge中摻入微量Ⅲ族元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。所摻入Ⅲ族元素稱為受主雜質(zhì)，簡(jiǎn)稱受主（能供給自由電子）。下圖所示（圖2-2）P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。

整理ppt三雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度：少量摻雜，平衡狀態(tài)下：ni2=n0·p0

其中，ni為本征濃度，n0為自由電子濃度，p0為空穴濃度圖2-3雜質(zhì)半導(dǎo)體的電荷模型，圖中少子未畫出來。溫度增加，本征激發(fā)加劇，但本征激發(fā)產(chǎn)生的多子遠(yuǎn)小雜質(zhì)電離產(chǎn)生的多子。★半導(dǎo)體工作機(jī)理：雜質(zhì)是電特性?！颯i半導(dǎo)體比Ge半導(dǎo)體有更高的溫度。因?yàn)橥瑴囟葧r(shí)，Si半導(dǎo)體比Ge半導(dǎo)體本征激發(fā)弱，更高的溫度時(shí)Si半導(dǎo)體才會(huì)失去雜質(zhì)導(dǎo)電特性。整理ppt§2-2PN結(jié)的形成及特性★PN結(jié)：將P型和N型半導(dǎo)體采用特殊工藝制造成半導(dǎo)體半導(dǎo)體內(nèi)有一物理界面，界面附近形成一個(gè)極薄的特殊區(qū)域，稱為PN結(jié)。PN結(jié)的形成：▼內(nèi)建電場(chǎng)：由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)E。阻止兩區(qū)多子的散。電場(chǎng)E產(chǎn)生的兩區(qū)少子越結(jié)漂移電流將部分抵消因濃度差產(chǎn)生的使兩區(qū)多子越結(jié)的擴(kuò)散電流。擴(kuò)散進(jìn)一步進(jìn)行，空間電荷區(qū)內(nèi)的暴露離子數(shù)增多，電場(chǎng)E增強(qiáng)，漂移電流增大，當(dāng)擴(kuò)散電流=漂移電流時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)，形成PN結(jié)。無凈電流流過PN結(jié)。

整理pptPN結(jié)的形成整理pptPN結(jié)形成過程分解：整理ppt2.2.1PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕?/p>

無外接電壓的PN結(jié)→開路PN結(jié)，平衡狀態(tài)PN結(jié)PN結(jié)外加電壓時(shí)→外電路產(chǎn)生電流正向偏置（簡(jiǎn)稱正偏）PN結(jié)：PN結(jié)外加直流電壓V：P區(qū)接高電位（正電位），N區(qū)接低電位（負(fù)電位）→正偏→正向電流整理pptPN結(jié)加正向電壓的情形整理ppt整理ppt－－－－++++REPN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。整理ppt2反向偏置（簡(jiǎn)稱反偏）PN結(jié)反偏：P區(qū)接低電位（負(fù)電位），N區(qū)接高電位（正電位）。＊硅PN結(jié)的Is為pA級(jí)＊溫度T增大→Is

整理pptPN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE整理pptPN結(jié)加反向電壓的情形整理ppt3PN結(jié)的伏安特性

PN結(jié)的伏安特性曲線：圖2-4伏安特性曲線（2-4）對(duì)應(yīng)表:整理ppt3.PN結(jié)的反向擊穿

二極管處于反向偏置時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小，但電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為反向擊穿。

擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。

齊納擊穿：高摻雜情況下，耗盡層很窄，宜于形成強(qiáng)電場(chǎng)，而破壞共價(jià)鍵，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛形成電子－空穴對(duì)，致使電流急劇增加。

雪崩擊穿：如果攙雜濃度較低，不會(huì)形成齊納擊穿，而當(dāng)反向電壓較高時(shí)，能加快少子的漂移速度，從而把電子從共價(jià)鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應(yīng)。

對(duì)于硅材料的PN結(jié)來說，擊穿電壓〉7v時(shí)為雪崩擊穿，<4v時(shí)為齊納擊穿。在4v與7v之間，兩種擊穿都有。這種現(xiàn)象破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，我們?cè)谑褂脮r(shí)要避免。

*擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞。整理ppt§2-3半導(dǎo)體二極管整理ppt2.1.3半導(dǎo)體二極管一、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。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號(hào)：整理ppt二、伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR整理ppt三、主要參數(shù)1.最大整流電流IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。整理ppt3.反向電流IR指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。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，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。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、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。整理ppt4.微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。整理pptPN結(jié)的電流方程PN結(jié)所加端電壓U與流過它的電流I的關(guān)系為：其中Is為反向飽和電流，UT為kt/q，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，q為電子的電量，常溫下，T＝300K時(shí)，UT可取26mv對(duì)于二極管其動(dòng)態(tài)電阻為：整理ppt5.二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：勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。勢(shì)壘電容：勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容。擴(kuò)散電容：為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P

區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。P+-N整理pptCB在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí)，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rd整理ppt二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流整理ppt§2-4二極管基本電路及其分析方法1整流電路：圖2-5整流：利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，將交流變成單向（即直流）脈動(dòng)電壓的過程，稱為整流。圖2-5整理ppt▼圖2-6為典型的單相半波整流電路。

分析如下：（1）當(dāng)vi(t)﹥0→二極管正偏（2）當(dāng)vi(t)﹤0→二極管反偏2-6整理ppt2-7整理ppt2限幅電路：（1）雙向限幅電路：如下圖，設(shè)vi(t)=3sinωt整理ppt3鉗位電路：能改變信號(hào)的直流電壓成分，又叫直流恢復(fù)電路。圖2-8。設(shè)vi(t)是±2.5V的方波信號(hào)2-9（b）2-8整理ppt2-8整理ppt§2.5特殊二極管2.5.1穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動(dòng)態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。整理ppt

專門工作與反向擊穿狀態(tài)的二極管→穩(wěn)壓管。電路符號(hào)圖2-10（b），特性曲線圖2-10（a）。1穩(wěn)壓管的參數(shù)：⑴穩(wěn)定電壓Vz⑵最小穩(wěn)定電流IzMIN：⑶最大穩(wěn)定電流IzMAX：⑷動(dòng)態(tài)電阻rz：⑸動(dòng)態(tài)電阻的溫度系數(shù)α：整理ppt（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動(dòng)態(tài)電阻整理ppt穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):負(fù)載電阻。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。求：電阻R和輸入電壓ui的正常值?！匠?整理ppt令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin?！匠?uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：整理ppt2穩(wěn)壓管應(yīng)用電路：圖2-11RL：負(fù)載電阻；R：限流電阻；要求輸入電壓VI＞VZ

用負(fù)載線法分析：

畫出等效電路圖2-12（a）求出穩(wěn)壓管的負(fù)載線圖2-1