PN结和二极管培训1PPT

1、1,广东易事特电力系统技术有限公司,PN结和二极管,电子技术的发展史,模拟信号与数字信号,半导体,PN结和单向导电性,二极管,稳压二极管,实用电路,返回目录,2,电子技术的发展历史,1,1869年Hittorf和Crookes发明阴极射线管应是电子技术发展历史的起点. 2,1904年11月英国伦敦大学的John Fleming发明了真空电子二极管,电子管的诞生是人类电子文明的起点. 3,1906年美国的Lee De Forest发明了对电子信号具有放大作用的真空电子三极管(电子管),该发明是电子技术史上的一个里程碑.他本人因发明了三极管而被称为“无线电之父”. 电子管体积,重量,功耗,寿命等方

2、面都有局限性.,返回目录,3,电子技术的发展历史,4,1947年底美国贝尔实验实有锗半导体晶体 制成了具有电流,电压放大功能的第一只点接触性晶体三极管.这是电子科学技术发展史上又一个划时代的重大发明,从此拉开了电子技术革命的帷幕,为电子电路集成化和数字化提供了重要的物理基础. 5,1957年贝尔实验室发明了面接触型晶体管,将电子技术推向一个新的阶段.,返回目录,4,电子技术的发展历史,6,1958年美国克萨斯仪器公司宣布一种集成振荡器的问世,首次将晶体管和电阻,电容等集成在一块硅片上.构成一个基本完整的单片式功能电路. 7,1961年美国仙童公司宣布制成一种集成触发器,从此集成电路获得飞速的发

3、展.,返回目录,5,模拟信号和数字信号,前言 信号是信息的载体,在人们周围的环境中,存在着电,声,光,磁,力等各种形式的信号. 电子技术所处理的对象是载有信息的电信号. 例如:电视机(电磁波-电- ),声,光,返回目录,6,电磁波发射,返回目录,7,模拟信号和数字信号,1,模拟信号 1.1,定义: 在时间上和幅值上均是连续的信号叫做模拟信号. 1.2,特点: 在一定的动态范围内幅值可取任意值,许多的物理量(声,光,热,力)可通过传感器转换为时间连续,数值连续的电压和电流.,返回目录,8,模拟信号和数字信号,2,数字信号 2.1,定义:在时间和幅值上均是离散(不连续)的信号. 2.2,特点:是幅

4、值只可以取有限个值(高,低电平) 抗干扰能力强,V,t,返回目录,9,半导体,前言 半导体器件是构成各种模拟电路和数字电路的基础. 1,定义 导电能力介于导体(10-4/cm2)和绝缘体(109/cm2)之间的材料. 例如:硅(Si)和锗(Ge),返回目录,10,半导体,2 特点 杂敏性:半导体对杂质很敏感,在半导体硅中只要 参入亿分之一的硼(B 三价元素),电阻率就会下降到原来的几万分之一 热敏性:半导体对温度很敏感,温度每升高10度,半导体的电阻率应减小为原来的二分之一.(热敏电阻) 光敏性:半导体对光照很敏感,半导体受光照射时,它的电阻会显著减小.例如:光敏电阻,光电二极管,光电三极管.

5、,返回目录,11,半导体,光电三极管(电光耦合器),光敏电阻,光电二极管,返回目录,12,半导体,3 本征半导体 纯净的、不含其他杂质的半导体称为本征半导体。 半导体硅和锗的原子外层轨道为4个电子(价电子),两个相邻的原子共用1个价电子,形成共价键,由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，因此晶体中没有自由电子。如同绝缘体。,返回目录,13,半导体,电子,原子核,共价键,返回目录,14,半导体,4 自由电子：由于温度的升高，将有少数价电子获得足够的能量，以克服共价键的束缚面成为自由电子。 5 空穴：当一部份价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子时，在原

6、来的共价键中留下一个空位，这个空位称之为空穴。,返回目录,15,半导体,+,空穴,电子,硅电子核,电子核,空穴,自由电子,返回目录,16,半导体,6 结论: 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴 . 在本征半导体中,自由电子和空穴总是成对的出现的,称为电子-空穴对,因此自由电子和空穴两种载流子的浓度是相等的. 由于本征半导体常温下很弱的导电能力,以及对热和光的敏感,决定了不能直接使用这种材料制造半导体.,返回目录,17,半导体,7 杂质半导体 N型半导体：在4价硅或锗中掺入少量的5价 元素，如磷，锑，砷等，那么电子的浓度将大大高于空穴的数量，主要依靠电子导电. 由于杂质原子

7、的最外层有5个价电子,当其中4个价电子与硅原子形成共价键外,就会多余一个电子,这个电子只受自身原子核的吸引,不受共价键的束缚,在室温下就能变成自由电子.,返回目录,18,半导体,自由电子,+,空穴,电子,硅电子核,5,5价元素,N型半导体,N型半 导体, 多数载 流子是 自由 电子, 少数载 流子是 空穴,返回目录,19,半导体,P型半导体，在4价硅或锗中掺入少量的3价元素，如硼，镓，铟等，空穴的浓度将大大高于电子的数量，主要依靠空穴导电， 由于杂质原子的最外层有3个价电子,当它和周围的硅原子形成共价键时,将缺少1个价电子而出现1个空穴,附近的共价键中的电子很容易来填补.,返回目录,20,半导

8、体,空穴,+,空穴,电子,硅电子核,3,3价元素,P型半 导体, 多数载 流子是 空穴, 少数载 流子是 自由电 子,返回目录,21,半导体,P型半导体,N型半导体,空穴,负离子,自由电子,正离子,返回目录,22,半导体,注意:,掺杂后对于P型半导体和N型半导体而言,尽 管都有一种载流子是多数载流子,一种载流 子是少数载流子,但整个半导体中由于正负 电荷数量是相等的,它们的作用相互抵消,因 此保持电中性.,返回目录,23,PN结和单向导电性,一 PN结 前言: 目前我们所有的半导体材料都是利用一个个PN结构成的. 所以掌握PN结特点,对于以后分析二极管,三极管,MOS管,IGBT模块的工作原理

9、至关重要.,返回目录,24,PN结和单向导电性,1 PN结的形成 如果一块半导体的两部分分别掺杂P型半导体和N型半导体,在它们的交界面处就形成PN结.,P型半导体,N型半导体,返回目录,25,PN结和单向导电性,2 扩散运动: 原因: P区的多数载流子是空穴,而少数载流子是电子 N区的多数载流子是电子,而少数载流子是空穴.,返回目录,26,PN结和单向导电性,过程: N区的电子要向P区扩散,扩散到P区的电子与空穴复合,在交界面附近的N区留下些带正电的5价杂质离子,形成正离子区. P区的空穴要向N区扩散,扩散到N区的空穴与电子复合,在交界面附近的P区留下些带负电的3价杂质离子,形成负离子区.,返

10、回目录,27,PN结和单向导电性,自由电子,空穴,P型半导体,N型半导体,返回目录,28,PN结和单向导电性,结果: 产生从N区指向P区的内电场,P型半导体,N型半导体,-,+,3价负离子,5价正离子,空穴,电子,返回目录,29,PN结和单向导电性,3 漂移运动: 由于内电场的作用,P区的少数载流子电子向N区运动,同时N区的少数载流子向P区运动,这种在内电场作用下的载流子运动称为漂移运动.,此漂移运动就是我常所讲的漏电流,注意,返回目录,30,PN结和单向导电性,4,总结: 在P型半导体和N型半导体交界面存在着两种相反的运动: 多数载流子的扩散运动 少数载流子的漂移运动 内电场促使了少数载流子

11、的漂移运动,阻档了多数载流子的扩散运动.,返回目录,31,PN结和单向导电性,半导体中,当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时,空间电荷区的宽度稳定下来,不再变化,这种宽度稳定的空间电荷区变称为PN结. 耗尽层:在空间电荷区中(PN结),由于载流子已扩散到对方而复合掉,或者说载流子被耗尽了,所以空间电荷区也称为耗尽层.,注意,PN结无外加电压时,扩散运动和漂移运动 达到动态平衡,所以流过PN结的电流为0,返回目录,32,PN结单向导电性,二 单向导电性 1 正向偏置-PN结低阻导通,何为偏置?,通常将加在PN结上的电压称为偏置电压,正向偏置: 在PN结外加正向电压(P 区接电源正极,N区接电源负极

12、,或P区电 位高于N区电位.),返回目录,33,PN结单向导电性,变窄,P,N,内电场方向,外电场方向,I,返回目录,34,PN结单向导电性,由上图看出,外加电压在PN结上形成的外电场的方向与内电场的方向相反,因此扩散运动与漂移运动的平衡被破坏,外电场有利于扩散运动,不利于漂移动动,于是多数载流子的扩散动动加强,中和了一部分的空间电荷区,整个空间电荷区变窄,形成了较大的扩散电流,方向是P区指向N区,称为正向电流. 在一定范围内,外加电压越大,正向电流越大,PN结呈低阻导通状态.,返回目录,35,PN结单向导电性,结论: 正向偏置是削弱内电场.使内电场变窄. 正向偏置时,外电场的方向与内电场的方

13、向相反. 正向偏置时,PN结呈低阻状态(PN结导通),正向导通电流大.,返回目录,36,PN结单向导电性,2 反向偏置-PN结高阻截止 将PN结外加反向电压(P区接电源的负极,N区接电源的正极,或P区电位低于N区电位),称为反向偏置.,返回目录,37,PN结单向导电性,变宽,P,N,内电场方向,外电场方向,I,返回目录,38,PN结单向导电性,在PN结上外加电压形成的外电场的方向与内电场的方向相同,加强了内电场,促进了少数载流子的漂移运动,使空间电荷区变宽,而不利于多数载流子扩散运动的进行. PN结反向偏置时, 由少数载流子的漂移运动形成的漂移电流超过扩散电流,方向是N区指向P区,称为反向电流

14、. 反向饱合电流:在一定温度下,若反向偏置电压超过某个值,反向电流不再随反向电压的升高而增大,称为反向饱合电流.(由于反向饱合电流是由少子产生的,因此对温度非常敏感).,返回目录,39,PN结单向导电性,结论: 反向偏置是加强内电场.使内电场变宽. 反向偏置时,外电场的方向与内电场的方向相同. 反向偏置时,PN结呈高阻状态,由于常温下少数载流子的数量小,所以反向电流小.,返回目录,40,PN结单向导电性,3 PN结单向导电性总结 PN结具有单向导电性,正向偏置是呈导通状态; 反向偏置是截止状态. PN结还具备感温,感光,发光,变容等特性.,返回目录,41,二极管,阳极,阴极,正极,负极,返回目

15、录,42,二极管,1 二极管的种类 (1) 按结构分 点接触型(PN结面积小,主要用于检波和高频电路中) 面接触型(PN结面积大,主要用于工频整流中) 平面型(常用于集成电路中,其PN结可大可小,主要用于高频整流和开关电路中).,返回目录,43,二极管,(2) 按制造材料分 硅二极管(二极管采用硅半导体掺杂制作而成) 锗二极管(二极管采用锗半导体掺杂制成),返回目录,44,二极管,(3) 按用途分 整流二极管 检波二极管 稳压二极管 开关二极管 发光二极管 光电二极管 变容二极管,整流桥,返回目录,45,二极管,2 二极管的伏安特性,UBR,返回目录,46,二极管,二极管伏安特性曲线可用下式表

16、示,I=,Is(,-1),=,Is(,-1),式中,Is为反向饱合电流,V为二极管两端的电压降, Vt=Kt/q称为温度的电压当量,k为玻耳兹曼常数,q为电子 负荷量,T为热力学温度.室温下(相当于于T-300K), 有VT=26mV,返回目录,47,二极管,2.1 正向特性 当二极管所加正向电压较小时,由于外加电压不足以克服PN结内电场对载流子的运动的阻挡作用,二极管呈现的电阻较大,因此正向电流几乎为0,与这部分相对应的电压叫死区电压(也称门坎电压或阈值电压). 死区电压的大小与二极管材料及温度等因素有关,通常硅二极管约为0.5V,锗二极管约为0.1V.,返回目录,48,二极管,当正向电压大

17、于死区电压时,二极管正向导通,导通后,正向电流随正向电压和升高而升高.电压与电流的关系基本上为一指数曲线. 当电压继续升高, 二极管已完全导通,此时二极管的正向电压将保持不变,几乎不随流过二极管电流的大小而变化.(限幅和钳位) 通常硅二极管导通电压约为0.7V,锗二极管导通电压约为0.2V.,返回目录,49,二极管,返回目录,50,二极管,2.2 反向特性 当二极管加上反向电压,是加强了PN结内电场,只有少数载流子在反向电压作用下通过PN结,形成很少的反向电流. 反向电流是由少数载流子形成的,在实际电路中它会随温度升高而变大.所以要求此值越小越好.,返回目录,51,二极管,I,返回目录,52,

18、二极管,反向饱合电流: 当反向电压超过零点几伏以后,反向电流不再随着反向电压的升高而增大,即达到饱合,这个电流称为反向饱合电流. 原因是:当反向电流达到零点几伏后,所有的少数载流子都参入运动. 反向击穿电压:如果反向电压继续升高,当超过UBR以后,反向电流将会急剧增大,这种现象叫做击穿, UBR称为反向击穿电压. 二极管击穿后不再具有单向导电性.,返回目录,53,二极管,反向击穿的原因: 当外加反向电压太高时,在强电场作用下,空穴和电子数量大大增多,使反向电流急剧增大,此时二极管失去单向导电性,反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿,二者的物理过程不同,齐纳击穿发生在掺杂浓度高,空间电荷区较薄的PN

19、结,雪崩击穿常发生在掺杂浓度低,空间电荷区较厚的PN结. 一般二极管中的电击穿大多属于雪崩击穿,齐纳击穿常出现在稳压管(齐纳二极管)中.,返回目录,54,二极管,A: 在反向电流和反向电压的乘积(功耗)不要超过PN结容许的耗散功率这一前提下,两种击穿过程是可逆的,反向电压降低后,二极管可恢复其单向导电性. B:我们通常说二极管击穿损坏的原因,不是因为电压高而击穿的.而是由于在反向击穿状态,电流很大,电压也很高,因此消耗在二极管上功率很大,容易使PN结发热而超过它的耗散功率,产生热击穿.,注意,返回目录,55,二极管,3 结论: 3.1 二极管是非线性器件,在正向导通区,通过二极管的电流与加在其

20、两端的电压近似成指数关系. 3.2 二极管只有在一定电压范围内才具有单向导电性.,返回目录,56,二极管,4 主要参数 4.1 最大整流电流If(极限值) 指二极管长期运行时,允许通过管子的最大正向平均电流.(If的数值是由二极管允许的温升所限定. 4.2 最高反向工作电压UR 二极管正常工作时,加在二极管的两端的反向电压不得超过此值,否则会被击穿.通常UR电压为击穿电压URB一半.,返回目录,57,二极管,4.3 反向电流IR IR是在室温下,在二极管上加上规定的反向电压,流过二极管的反向电流(此值越小越好) 4.4 最高工作频率fm fM值主要决定于PN结结电容的大小,结电容愈大,则二极管

21、允许的最高频率越低.,返回目录,58,二极管,势垒电容:是由PN结的空间电荷区(或耗尽层)形成的,又称为结电容(只有几十皮法,PN结大的有几百皮法,用于高频电路). 势垒电容的大小可用下式表示:,Cb=,S,l,E,E为半导体材料的介电比系数,S为结面积,l为耗尽层宽度. 但对于同一个PN结,由于其l随外加电压U而变化的.,返回目录,59,二极管,返回目录,60,二极管,返回目录,61,二极管,返回目录,62,二极管,3,返回目录,63,二极管,5,返回目录,64,二极管,返回目录,65,二极管,整流桥,返回目录,66,稳压二极管,1.稳压二极管的符号: 2.稳压二极管字母表示:ZD 3.稳压

22、二极管工作特点: 利用二极管的反向击穿工作特性,当反向工作电流I较大时,而反向电压变化量U较小. 3.1:二极管工作在反向击穿状态 3.2:具有稳压特性.,返回目录,67,稳压二极管,常用稳压二极管的型号及稳压值如下表： 型 号 1N4728 1N4729 1N4730 1N4732 1N4733 1N4734 1N4735 1N4744 1N4750 1N4751 1N4761 稳压值 3.3V 3.6V 3.9V 4.7V 5.1V 5.6V 6.2V 15V 27V 30V 75V,返回目录,68,稳压管,4.稳压二极管的主要参数 4.1:稳定电压UZ UZ是稳压管工作在反向击穿区时的稳

23、定工作电压 注意:由于稳压管的稳压值随着工作电流的不同而电压略有所变化,所以测试稳压管稳压值时,其工作电流必须为规定值.,返回目录,69,稳压管,4.2 稳定电流IZ 稳定电流是使稳压管正常工作时的参考电流. 注意:若稳压管工作电流低于稳定电流时,则管子的稳压性能变差. 如工作电流超过稳定电流,但不可超过管了的额定功耗. 根据二极管的伏安特性图的反缶特性可以看出.工作电流较大时稳压性能越好.,返回目录,70,稳压管,4.3:动态电阻rZ 指稳压管两端电压和电流的变化量之比. 动态电阻越小越好. 动态电阻小,说明稳压管的两端工作电流的变化量对稳压管两端的电压影响小.稳压性能就好.,返回目录,71,稳压管,4.4:电压的温度系数 表示稳压管的电流保持不变时,环境温度每变化1摄氏度所引起的稳定电压变化的百分比 注意此值越小越好. 稳压值大于7V的,其电压温度系数为正值. 稳压值低于4V的,其电压温度系数为负值. 稳压值在4-7V的,其电压温度系数变化小,性能较稳定.,返回目录,72,稳压管,额定功耗PZ 额定功耗PZ决定于稳压管允许的温升. P