art 1 半导体二极管1.ppt

成绩评定方法 考试70 平时30 平时成绩到课课堂表现作业 到课：点名 缺课（事前请假）假条 迟到 课堂表现：回答问题纪律 作业：按时 效果,半导体的导电特性,杂质半导体,PN 结及其单向导电性,半导体二极管,半导体二极管,半导体概念,依照导电性能，可以把媒质分为导体、绝缘体和半导体。 导体有良好的导电能力，铜、铝等金属材料； 绝缘体基本上不能导电，玻璃、陶瓷等材料； 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，硅(Si Silicon )、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料。,半导体的导电能力会随温度、光照的变化或因掺入某些杂质而发生显著变化。,半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、耗电少等特点，是组成各种电子电路的核心器件，在当今的电子技术中占有主导地位。,光敏电阻是一种特殊的电阻，它的电阻和光线的强弱有直接关系 光强度增加，则电阻减小； 光强度减小，则电阻增大。 通常应用于光控电路，如路灯照明、警报器、楼梯灯,本征半导体(intrinsic semiconductor ),一、本征半导体,指纯单晶，理想化的。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外 层电子（价电子）都是四个。,结构：,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。,共价键：共价键就是相邻两个原子中的价电子为共用电子对而 形成的相互作用力。对大多数原子来说，外层电子数为8时它们达到饱和。 这时它们的外层电子数与同周期的惰性气体元素的外层电子数相同。,辐射方法,加热,本征半导体导电性能比金属导体差很多。但它具有热敏、 光敏的特性。,如何导电？,强能量的量子撞击共价键,?,光照是一般采用的方法。,分子振动,破坏结构,电子掉下来，引起自由电子空穴,几个概念,本征激发： 当本征半导体的温度升高或受到光照时， 某些共价键中的价电子从外界获得能量而挣脱共价键的束缚， 离开原子而成为自由电子的同时，在共价键中会留下数量相同的空位子空穴。这种现象称为本征激发。 本征激发形成: 电子(负电荷)-空穴（带正电）,（1）漂移电流： 自由电子在电场作用下定向运动形成的电流称为漂移电流。 （2）空穴电流： 空穴在电场作用下定向运动形成的电流称为空穴电流。 电子电流与空穴电流的实际方向是相同的，总和即半导体中的电流。 （3）复 合： 自由电子在热运动过程中和空穴相遇，造成电子-空穴对消失，这一过程称为复合。,杂质半导体：掺杂后的半导体，包括N型半导体和P型半导体。,N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(磷、砷、锑)等，每个杂质原子提供一个自由电子，从而大量增加自由电子数量。,N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，为多数载流子(多子)，空穴为少数载流子(少子)。,杂质半导体,杂质半导体：掺杂后的半导体，包括N型半导体和P型半导体。,P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(硼、铝、铟)等，每个杂质原子(受主原子)提供一个空穴，从而大量增加空穴数量。,P型半导体中 空穴浓度远大于自由电子浓度， 为多数载流子(多子)， 自由电子为少数载流子(少子)。,杂质半导体,杂质半导体的记忆及示意表示法：,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,结论,不论P型或N型半导体，掺杂越多，掺杂浓度越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少子浓度也小。 掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，表明其导电能力显著增大。几十万到几百万倍 在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升高而显著增大。,小结,1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。 2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。 3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。 4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。,将一块半导体的一侧参杂成P型半导体，另一侧参杂成N型半导体，那么在中间交界处形成一个PN结。 1948年，威廉萧克利的论文“半导体中的P-N结和P-N结型晶体管的理论”发表于贝尔实验室内部刊物。 根据PN结的材料、掺杂分布、 几何结构和偏置条件的不同，可以制造多种功能的晶体二极管。 整流二极管、检波二极管和开关二极管；稳压二极管和雪崩二极管；激光二极管与半导体发光二极管；光电探测器；太阳电池。双极型晶体管和场效应晶体管， 是现代电子技术的基础。,PN结,PN结的形成,在一块晶体两边分别形成P型(硼)和N型半导 体(磷)。 由于P区有大量空穴(浓度大)，而N区的空穴极少(浓度小)，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散。 N区电子也类似反向运动,P,N,自由电子,空穴,扩散,扩散,空间电荷区,P区,N区,内电场,多数载流子将扩散形成耗尽层；,耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区；（内电场）,内电场阻碍了多子的继续扩散。,空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用。 但对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴)则可推动它们越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。,漂移,漂移,漂移,扩散和漂移的动态平衡形成了PN结,在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势。在扩散运动进行过程中，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐步加强。 在一定条件下(例如温度一定)，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强。 最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡。达到平衡后 空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。,几个重要概念： 扩散运动 多子因浓度差而引起的运动称为扩散运动。 漂移运动 空间电荷区在内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移。, 空间电荷区 在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，在P 区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。 内部电场由空间电荷区将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。,PN结的单向导电性PN结外加电压情形,如果在PN结上加正向电压，即外电源的正端接P区，负端接N区。 可见外电场与内电场的方向相反，因此扩散与漂移运动的平衡被破坏。 外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。于是，整个空间电荷区变窄，电内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流(正向电流)。,若给PN结加反向电压 即外电源的正端接N区，负端接P区，则外电场与内电场方向一致，也破坏了扩散与漂移运动的平衡。 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增加，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难以进行。 但另一方面，内电场的增强也加强了少数裁流于的漂移运动，在外电场的作用下，N区中的空穴越过PN结进入P区， P区中的自由电子越过PN结进入N区，在电路中形成了反向电流。,由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN结呈现的反向电阻很高。 又因为少数载流子是由于价电子获得热能(热激发)挣脱共价键的束缚而产生的，环境温度愈高，少数载流子的数目愈多。所以温度对反向电流的影响很大。,PN结单向导电性 即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低正向电流较大(PN结处于导通状态) 加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小(PN结处于截止状态)。,PN结的反向击穿问题,PN结反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时，反向电流会急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿。 反向击穿发生在空间电荷区。 击穿的原因主要有两种：,当PN结上加的反向电压超过一定限度时，阻挡层较厚，处在强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格，将价电子碰撞出来，产生电子空穴对 新产生的载流子再去碰撞其它价电子产生新的电子空穴对，如此连锁反应，使反向电流越来越大。,(1)雪崩击穿,当PN结两边的掺杂浓度很高，阻挡层又很薄时，阻挡层内载流子与原子碰撞的机会大为减少，因而发生雪崩击穿几率较小。,(2)齐纳击穿,当PN结非常薄时，阻挡层两端加的反向电压不太大，也会产生一个比较强的内电场。这个内电场足以把PN结内中性原子的价电子从共价键中拉出来，产生出大量的电子空穴对，使PN结反向电流剧增。 可见，齐纳击穿发生在高掺杂的PN结中，相应的击穿电压较低，一般小于5V。,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,PN结的伏安特性,PN结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成,PN结的电容特性,势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,图 01.09 势垒电容示意图,扩散电容：正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种电容效应,PN结的电容特性,图 01.09 势垒电容示意图,PN 结正偏，多子扩散运动加强， 由N区扩散到 P 区的电子，就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近， 形成一定的多子浓度梯度分布曲线，相当于电容的充放电过程 由P区扩散到N区的空穴，亦然,PN结反向偏置时，少子数量很少， 电容效应很少,势垒电容和扩散电容都是非线性电容,都随外加电压的变化而变化。 PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj=势垒电容+扩散电容 正偏时， Cj 扩散电容，其值通常为几十至几百pF 反偏时， Cj 势垒电容,其值通常为几至几十pF因为Cj并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。,半导体二极管,把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、 稳压管和整流管等。,硅高频检波管,开关管,稳压管,整流管,发光二极管,电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。,1. 二极管的基本结构和类型,点接触型：结面积小，适用于 高频检波、脉冲电路及计算机 中的开关元件。,外壳,触丝,N型锗片,正极引线,负极引线,面接触型：结面积大，适用于 低频整流器件。,负极引线,底座,金锑合金,PN结,铝合金小球,正极引线,普通二极管 图符号,稳压二极管 图符号,发光二极管 图符号,使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。,二极管的伏安特性,二极管具有“单向导电性”,二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：,2 外加正向电压超过死区电压时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。,死区,正向 导通区,反向 截止区,1 当外加正向电压很低时，正向电流很小，几乎为零。这一区域称之为死区。,4 外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。,反向 击穿区,3 反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。,正向导通区和反向截止区,当外加正向电压大于死区电压时，二极管导通， 电压再继续增加时，电流迅速增大，而二极管端电压却几乎不变，此时二极管端电压称为正向导通电压。,硅二极管的正向导通电压约为0.7V， 锗二极管约为0.3V。,在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向电流。,反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快，二是 在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定。反向饱和电流。,二极管的主要参数,（1）最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。,（2）最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所 能承受的最大反向电压值。一般取击穿电压的一半。,（3）反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化较大。,（4）最大工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性将变差。,二极管的应用-整流作用,将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流。利用 二极管的单向导电性能就可获得各种形式的整流电路。,二极管半波整流电路,二极管全波整流电路,二极管桥式整流电路,二极管承受电压折半,二极管的应用-限幅,图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲， 高电平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。试分析电路的输出 电压为多少。,分析,当输入电压ui=5V时，二极管反偏截止，此时电路 可视为开路，输出电压u0=0V；,当输入电压ui= +5V时，二极管正偏导通，导通时二极管 管压降近似为零，故输出电压u0+5V。,显然输出电压u0限幅在0+5V之间。,u0,稳