半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)及二極管課件

第二章半導(dǎo)體二極管及其基本電路半導(dǎo)體PN結(jié)的形成及特性半導(dǎo)體二極管（diode）二極管基本電路及其分析方法特殊二極管

第二章半導(dǎo)體二極管及其基本電路半導(dǎo)體§2.1半導(dǎo)體導(dǎo)體容易傳導(dǎo)電流的稱為導(dǎo)體。如金屬。絕緣體幾乎不傳導(dǎo)電流的稱為絕緣體。如橡膠，陶瓷。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，并且受到外界光和熱的刺激或加入微量的雜質(zhì)時(shí)，導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變化的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。如硅(Si)，鍺(Ge)。

§2.1半導(dǎo)體導(dǎo)體容易傳導(dǎo)電流的稱為導(dǎo)體。如金屬。絕緣體一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體

完全純凈的，結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。+4+4+4+4+4共價(jià)鍵束縛電子圖半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)示意圖（a）硅原子；（b）鍺原子；（c）簡(jiǎn)化模型一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈的，結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體+4+4+4+4+4自由電子空穴

掙脫共價(jià)鍵的束縛自由活動(dòng)的電子空穴自由電子

束縛電子成為自由電子后，在共價(jià)鍵中所留的空位。+4+4+4+4+4自由電子空穴掙脫共價(jià)鍵的束縛自二、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體電子半導(dǎo)體(Negative)空穴半導(dǎo)體(Positive)

加+5價(jià)元素磷(P)、砷(As)、銻(Sb)

加+3價(jià)元素硼(B)、鋁(Al)、銦(In)、鈣(Ga)二、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體電子半導(dǎo)體空穴半導(dǎo)體加+5價(jià)元元素周期表元素周期表1、電子半導(dǎo)(Negative)——N型半導(dǎo)體+5價(jià)元素磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等在硅晶體中給出一個(gè)多余電子，故叫施主原子。

電子數(shù)目=空穴數(shù)+正離子數(shù)（主要來(lái)自雜質(zhì)）（主要來(lái)自本征半導(dǎo)體）（全部來(lái)自雜質(zhì)）多數(shù)載流子：電子少數(shù)載流子：空穴1、電子半導(dǎo)(Negative)——N型半導(dǎo)體+5價(jià)元素磷2、空穴半導(dǎo)(Positive)——P型半導(dǎo)體+3價(jià)元素硼(B)、鋁(Al)、銦(In)、鎵(Ga)等在硅晶體中接受一個(gè)電子，故叫受主原子。

空穴數(shù)目=電子數(shù)+負(fù)離子數(shù)（主要來(lái)自雜質(zhì)）（主要來(lái)自本征半導(dǎo)體）（全部來(lái)自雜質(zhì)）多數(shù)載流子：空穴少數(shù)載流子：電子2、空穴半導(dǎo)(Positive)——P型半導(dǎo)體+3價(jià)元§2.2PN結(jié)的形成及特性一、PN結(jié)1952年第一個(gè)PN結(jié)形成。PNPN內(nèi)電場(chǎng)PN結(jié)§2.2PN結(jié)的形成及特性一、PN結(jié)PNPN內(nèi)電場(chǎng)PN結(jié)在一塊本征半導(dǎo)體兩側(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

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

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

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。在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的單向?qū)щ娦允瞧浠咎匦?、外加正向電壓外加電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反PN內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)IF二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的單向?qū)щ娦允瞧浠咎匦?、外加2、外加反向電壓外加電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同PN內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)ISIS很小，就可以看作PN結(jié)在外加反向偏置時(shí)呈現(xiàn)出很大的阻值。2、外加反向電壓外加電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同PN內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)3、PN結(jié)的反向擊穿PN結(jié)的外加反向電壓增大到一定的數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增加，這個(gè)現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。反向擊穿熱擊穿電擊穿可利用的，可逆的有害的，易燒壞PN結(jié)根據(jù)產(chǎn)生擊穿的原因可分為：雪崩擊穿齊納擊穿外加電場(chǎng)作用產(chǎn)生碰撞電離，形成倍增效應(yīng)。在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中，外加電場(chǎng)直接破壞共價(jià)鍵，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。3、PN結(jié)的反向擊穿PN結(jié)的外加反向電壓增大到一定4、PN結(jié)的V—I特性PN結(jié)的V-I特性如圖所示vDiDISVBR反向飽和電流反向擊穿電壓注:VD為PN結(jié)的外加電壓,VT為溫度的電壓當(dāng)量,約為0.026V,IS為反向飽和電流。e=2.718284、PN結(jié)的V—I特性PN結(jié)的V-I特性如圖所示vDiD5、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢(shì)壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過(guò)程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容Cb。2.擴(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過(guò)程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！清華大學(xué)華成英hchya@5、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢(shì)壘電容PN結(jié)外加電壓變問(wèn)題為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？問(wèn)題為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)§2.3半導(dǎo)體二極管（diode）半導(dǎo)體二極管就是一個(gè)PN結(jié)。一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)不同點(diǎn)接觸型面接觸型：適用于高頻檢波和數(shù)字電路開(kāi)關(guān)。：適用于整流摻雜質(zhì)濃度不同對(duì)稱PN型P+N型PN+型§2.3半導(dǎo)體二極管（diode）半導(dǎo)體二極管就是一個(gè)PN結(jié)按材料分:有硅二極管,鍺二極管和砷化鎵二極管等。按用途分:有整流、穩(wěn)壓、開(kāi)關(guān)、發(fā)光、光電、變?nèi)?、阻尼等二極管。按封裝形式分:有塑封及金屬封等二極管。按功率分:有大功率、中功率及小功率等二極管按材料分:有硅二極管,鍺二極管和砷化鎵二極管等。常見(jiàn)二極管外形常見(jiàn)二極管外形半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)及二極管ppt課件點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率二極管外形二極管外形二、二極管的V—I特性

圖二極管伏安特性曲線二極管兩端加正向電壓時(shí),就產(chǎn)生正向電流,當(dāng)正向電壓較小時(shí),正向電流極?。◣缀鯙榱悖?這一部分稱為死區(qū),相應(yīng)的A(A′)點(diǎn)的電壓稱為死區(qū)電壓或門(mén)檻電壓(也稱閾值電壓),硅管約為0.5V,鍺管約為0.1V,如圖中OA(OA′)段。當(dāng)正向電壓超過(guò)門(mén)檻電壓時(shí),正向電流就會(huì)急劇地增大,二極管呈現(xiàn)很小電阻而處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)硅管的正向?qū)▔航导s為0.6~0.7V,鍺管約為0.2~0.3V,如圖中AB(A′B′)段。二極管兩端加上反向電壓時(shí),在開(kāi)始很大范圍內(nèi),二極管相當(dāng)于非常大的電阻,反向電流很小,且不隨反向電壓而變化。此時(shí)的電流稱之為反向飽和電流IR,見(jiàn)圖中OC（OC′）段。二極管反向電壓加到一定數(shù)值時(shí),反向電流急劇增大,這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓,用UBR表示,如圖中CD(C′D′)段。二、二極管的V—I特性圖二UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流（很小，A級(jí)）UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。三、二極管的參數(shù)1、最大整流電流IF：指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流。2、最高反向工作電壓：VBD=?VBR

（VBR為反向擊穿電壓。）3、極間電容：在高頻時(shí)要考慮極間電容。勢(shì)壘電容CB在反向偏置時(shí)較大擴(kuò)散電容CD在正向偏置時(shí)較大4、最高工作頻率：指二極管能保持單向?qū)щ娦缘淖畲箢l率。超過(guò)了這個(gè)頻率二極管就失去了單向?qū)щ娦浴Ｈ?、二極管的參數(shù)1、最大整流電流IF：指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許小知識(shí):二極管的簡(jiǎn)易測(cè)試將萬(wàn)用表置于R×100或R×1k(Ω)擋（R×1擋電流太大,用R×10k(Ω)擋電壓太高,都易損壞管子）。如圖所示圖萬(wàn)用表簡(jiǎn)易測(cè)試二極管示意圖(a)電阻小；(b)電阻大小知識(shí):二極管的簡(jiǎn)易測(cè)試圖萬(wàn)用表簡(jiǎn)易測(cè)試二極§2.4二極管基本電路及其分析方法一、四種建模1、理想模型正向偏置時(shí)，管壓降為0V，反向偏置時(shí)，電阻為無(wú)窮大。iDvDiD+vD－2、恒壓降模型正向偏置時(shí)，管壓降為恒定,一般為0.7V，反向偏置時(shí)，電阻為無(wú)窮大。iD+vD－iDvD適用：電源電壓>>二極管壓降適用：iD≥1mA§2.4二極管基本電路及其分析方法一、四種建模1、3、折線模型認(rèn)為二極管的壓降隨著電流的增加而增加?？捎靡粋€(gè)電池和一個(gè)電阻近似。電池壓降為二極管的門(mén)坎電壓。iDvDiD+vD－VthrD適用：需考慮到rD變化時(shí)，輸入電壓不高3、折線模型iDvDiD+vD4、小信號(hào)模型在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近工作時(shí)，可以將二極管V-I特性看作一條直線，其斜率的倒數(shù)就是二極管小信號(hào)模型的微變電阻。vDiD△iD△vD+△vD_△iDrdIDQ適用：二極管僅在V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作4、小信號(hào)模型在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近工作時(shí)，可以將二極管二、分析方法應(yīng)用例1電路如圖所示，分別用理想模型，恒壓降模型和折線模型來(lái)求電路的ID和VD。VDD+10V10KΩR解首先標(biāo)出參考方向+vD_ID1)理想模型VD=0V,ID=VDD/R=1mA2)恒壓降模型VD=0.7V,ID=(VDD-VD)/R=0.93mA3）折線模型二、分析方法應(yīng)用例1電路如圖所示，分別用理想模型，恒壓降模型例2設(shè)二極管是理想的，分析圖中各二極管的導(dǎo)通或截止情況，并求AO兩端的電壓UAO。+VD-

D15VR=3KΩ12VA+O-解

分析方法：先將要分析的二極管斷開(kāi)，求VDVD=(-15V)-(-12V)=-3V<0所以二極管截止VAO=-12V例2設(shè)二極管是理想的，分析圖中各二極管的導(dǎo)通或截止情D1D23V2K5VA+O-解

分析方法：如果電路中有兩個(gè)二極管，則先將不分析的二極管所在的支路斷開(kāi)，再按前面所學(xué)的方法分析。但VD1>VD2管壓降大的管子優(yōu)先導(dǎo)通,二極管D1先導(dǎo)通從而導(dǎo)致二極管D2截止VAO=0VVD1=5V>0所以二極管D1導(dǎo)通VD2=5V-3V=2V>0所以二極管D2導(dǎo)通D1D22KA解分析方法：如果電路中有兩個(gè)二極管，則先例３設(shè)二極管是理想的，分析圖中各二極管的導(dǎo)通或截止情況。解

分析方法：先將要分析的二極管斷開(kāi)，求VDＢ_++15VＤＡ10V18KO25K140K10K2K5K因?yàn)閂B>VA所以D截止.例３設(shè)二極管是理想的，分析圖中各二極管的導(dǎo)通或截止情圖二極管半波整流電路(a)電路；(b)輸出波形

三、晶體二極管應(yīng)用電路舉例1.整流電路圖二極管半波整流電路三、晶體二極管應(yīng)用電路2.門(mén)電路

圖二極管門(mén)電路2.門(mén)電路圖二極管門(mén)電路3.二極管限幅電路圖二極管限幅電路(a)電路;(b)波形3.二極管限幅電路圖二極管限幅電路§2.5特殊二極管一、穩(wěn)壓二極管二極管可分為：普通二極、穩(wěn)壓管、變?nèi)莨?、光電管、發(fā)光管、隧道管、微波管、恒流管等。穩(wěn)壓管又稱為齊納二極管，它的雜質(zhì)濃度較大，空間電荷區(qū)很窄，容易形成強(qiáng)電場(chǎng)。產(chǎn)生反向擊穿時(shí)反向電流急增。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于，電流增量很大，只引起很小的電壓變化。

§2.5特殊二極管一、穩(wěn)壓二極管二極管可分為：普通二極、穩(wěn)壓圖中的VZ表示反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于，電流增量ΔIZ很大，只引起很小的電壓變化ΔVZ。曲線愈陡，動(dòng)態(tài)電阻rz=ΔVZ/ΔIZ愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好。一般地說(shuō)，VZ為8V左右的穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻較小，低于這個(gè)電壓的，rZ隨齊納電壓的下降迅速增加，因而低壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能較差。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓VZ，低的為3V，高的可達(dá)300V，它的正向壓降約為0.6V。圖中的VZ表示反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓并聯(lián)式穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路如圖所示。該電路能夠穩(wěn)定輸出電壓，當(dāng)V1或RL變化時(shí)，電路能自動(dòng)地調(diào)整IZ的大小，以改變R上的壓降IRR，達(dá)到使輸出電壓V0（VZ）基本恒定的目的。例如，當(dāng)VI恒定而RL減小時(shí)，將產(chǎn)生如下的自動(dòng)調(diào)整過(guò)程：RL↓→IO↑→VO↓→IZ↓→IR↓→VO↑圖中DZ為穩(wěn)壓管，R為限流電阻的作用是使電路有一個(gè)合適的工作狀態(tài)。因負(fù)載RL與穩(wěn)壓管兩端并接，故稱為并聯(lián)式穩(wěn)壓電路。

并聯(lián)式穩(wěn)壓電路RL↓→IO↑→VO↓→IZ↓→IR↓→VO↑二、變?nèi)荻O管二極管結(jié)電容的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應(yīng)顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管。圖a為變?nèi)荻O管的代表符號(hào)，圖b是變?nèi)荻O管的