半導體二極管及其應用

關于半導體二極管及其應用1半導體二極管及其應用了解半導體基礎知識；理解PN結的結構與形成；掌握PN結的單向?qū)щ娦?；熟悉二極管和穩(wěn)壓管的V-I特性曲線及其主要參數(shù)等。了解特種二極管第2頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.1PN結

1.1.1PN結的形成1、半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間的物體。電阻率為硅（Si）和鍺（Ge）是兩種常用的半導體材料特點：四價元素，每個原子最外層有四個價電子GeSi第3頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2、本征半導體：化學成分純凈的半導體，其純度達到99.9999999%，通常稱為“9個9”，在物理結構上呈單晶體形態(tài)。硅和鍺的晶體結構：第4頁,共50頁，2024年2月25日，星期天硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子這種結構如何體現(xiàn)半導體的特性呢？導電機制是什么？第5頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3、載流子：可以自由移動的帶電離子。

當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。第6頁,共50頁，2024年2月25日，星期天+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第7頁,共50頁，2024年2月25日，星期天自由電子是載流子?？昭ㄒ彩且环N載流子（Why？）。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。第8頁,共50頁，2024年2月25日，星期天游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。當溫度一定時，激發(fā)和復合達到動態(tài)平衡，即“空穴-電子對”濃度一定。第9頁,共50頁，2024年2月25日，星期天溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動產(chǎn)生的電流。第10頁,共50頁，2024年2月25日，星期天4、雜質(zhì)半導體(1)N型半導體(2)P型半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。第11頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

(1）N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導體中的載流子是什么？第12頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。第13頁,共50頁，2024年2月25日，星期天(2)P型半導體

本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質(zhì)原子與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。+4+4+3+4空穴硼原子第14頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

P型半導體中空穴是多數(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。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。第15頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

雜質(zhì)對半導體導電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3第16頁,共50頁，2024年2月25日，星期天雜質(zhì)半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體雜質(zhì)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。第17頁,共50頁，2024年2月25日，星期天小結半導體中有兩種載流子，分別是自由電子和空穴。純凈半導體中的載流子主要取決于溫度（或光照）。摻雜半導體中的載流子可以分為多子（多數(shù)載流子）和少子（少數(shù)載流子）。多子取決于摻雜濃度，少子取決于溫度（或光照）。P型半導體中的多子是空穴，少子是自由電子，N型半導體中的多子是自由電子，少子是空穴。第18頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.1.2PN

的單向?qū)щ娦?/p>

1、PN結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結。第19頁,共50頁，2024年2月25日，星期天P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++多子擴散運動內(nèi)電場E少子漂移運動擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。第20頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:PN結形成的物理過程：

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動

雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

擴散>

漂移否是寬第21頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結,在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3、P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。第22頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2、

PN結的單向?qū)щ娦?/p>

如果外加電壓使PN結中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

PN結具有單向?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，簡稱反偏。第23頁,共50頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共50頁，2024年2月25日，星期天PN結正偏時

a、外加電場使得內(nèi)電場被消弱，從而加劇了多子擴散；多子向耗盡層的擴散使空間電荷層變窄；

b、空間電荷層變窄更有利于多子擴散而抑制少子漂移；

c、多子擴散電流稱為正向電流（PN），此時稱PN結導通；PN結正偏：PN結導通，電阻很小，正向電流較大；第25頁,共50頁，2024年2月25日，星期天PN結反偏時a、外加電場增強內(nèi)電場，從而阻礙多子擴散而增強了少子的漂移，使得空間電荷層變寬；b、少子漂移電流（NP），稱為反向飽和電流；c、反向飽和電流很小，且外加電壓超過一定數(shù)值時，基本不隨電壓的增加而增加。PN結反偏：PN結截止，電阻很大，反向電流很??；第26頁,共50頁，2024年2月25日，星期天PN結的電壓與電流關系其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）2、PN結方程正向：反向：近似第27頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.2半導體二極管第28頁,共50頁，2024年2月25日，星期天第29頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結構示意圖PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。1、半導體二極管的結構第30頁,共50頁，2024年2月25日，星期天(3)平面型二極管

往往用于集成電路制造藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極管PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號第31頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

2、二極管的伏安特性硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性（1）、正向特性死區(qū)電壓：硅：0.5V

鍺：0.1V正常工作時的管壓降硅：0.7V

鍺：0.3V

第32頁,共50頁，2024年2月25日，星期天（2）、反向特性

反向電流由少子形成，因此反向電流一般很小；小功率硅管：小于1微安；小功率鍺管：幾十微安；（3）、反向擊穿特性

反向擊穿：外加電壓達到一定數(shù)值時，在PN結中形成強大的電場，強制產(chǎn)生大量的電子和空穴，使反向電流劇增；①齊納擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場，拉出共價鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。當反向電壓小于4V時，擊穿主要為齊納擊穿。②雪崩擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場，使做漂移的少子運動速度加大，能量加大，碰撞出共價鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。一個當電壓大于6V時，擊穿主要為雪崩擊穿。發(fā)生擊穿是否就證明二極管損壞了呢？？？第33頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3、半導體二極管的等效模型恒壓模型UD二極管的導通壓降：硅管0.7V；鍺管0.3V。二極管的V—A特性理想二極管模型：正偏反偏小信號模型:

在交流小信號模型下將二極管等效于rD,因此可用于分析二極管電路。第34頁,共50頁，2024年2月25日，星期天4、二極管的主要參數(shù)額定整流電流IF反向擊穿電壓U（BR）最高允許反向工作電壓UR反向電流IR最高工作頻率fM第35頁,共50頁，2024年2月25日，星期天例1-1

ui=10sinwt(v)E=5vR=1k歐姆忽略二極管的正向壓降和反向電流畫出uo的波形（1）ui<E時，二極管反向截止，

uo=ui;（2）ui>E時，二極管正向?qū)ǎ?/p>

uo=E;第36頁,共50頁，2024年2月25日，星期天例1-2

判斷二極管的工作狀態(tài)。判斷方法：

正向偏置VA>VB；導通；反向偏置VA<VB；截止；解題方法：

斷開二極管2AP1，求VA和VBVA=15×（10/（10+140））=1V；VB=-10×（2/（18+2））+15×（5/（25+5））=1.5V；

VA<VB，所以，二極管2AP1截止；第37頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.3半導體二極管的應用

1.3.1在整流電路中的應用D1

、D3導通，D2、D4截止。u2正半周時:uLU２1.工作原理第38頁,共50頁，2024年2月25日，星期天u2負半周時：D2、D4

導通，D1

、D3截止。UＬu2-+第39頁,共50頁，2024年2月25日，星期天uLU２第40頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.3.2在檢波中的應用第41頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.3.3限幅電路第42頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.4特種二極管

1.4.1硅穩(wěn)壓管IZminIZmax●UZIZΔUZ第43頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2、穩(wěn)壓管的參數(shù)（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（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）動態(tài)電阻第44頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3、穩(wěn)壓原理第45頁,共50頁，