第2讲 半导体基础知识 二极管改.ppt

第二讲 第三章教学要求 重点与难点 1 了解半导体的特性 2 了解PN结的载流子运动 理解PN结的工作原理 3 理解二极管的单向导电性 掌握二极管的外特性 在实际应用中正确选择二极管的参数 4 了解特殊二极管的外特性及应用 重点 PN结的单向导电性 二极管的外特性及其应用电路 难点 PN结的工作原理 载流子运动 本次课教学要求 1 了解半导体的特性 2 了解PN结的载流子运动 理解PN结的工作原理 3 理解二极管的单向导电性 4 掌握二极管的外特性 在实际应用中正确选择二极管的参数 第3章半导体二极管及其基本应用电路 3 1半导体基础知识 3 2半导体二极管及其基本应用电路 3 3稳压二极管及其基本应用电路 3 4发光二极管及其基本应用举例 3 1半导体基础知识 根据物体导电能力 电阻率 的不同 来划分导体 绝缘体和半导体 典型的半导体材料元素 硅Si和锗Ge化合物 砷化镓GaAs等 电阻率 导体10 6 10 4 cm绝缘体1010 1022 cm半导体10 3 109 cm 3 1半导体基础知识 续 3 1 1本征半导体 本征半导体 化学成分纯净的晶格结构完整半导体 它在物理结构上呈单晶体形态 1 半导体的共价键结构 硅晶体的空间排列 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 平面示意图P43图3 1 1 1 半导体的共价键结构 续 空穴 共价键中的空位 电子空穴对 由热激发而产生的自由电子和空穴对 空穴的移动 空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的 2 本征半导体 本征激发 电子空穴对的产生 产生 价电子获得足够的能量 打破共价键 变成自由电子 产生电子 空穴对 电子空穴对的产生速率正比于温度 外加电场时 带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电 且运动方向相反 由于载流子数目很少 故导电性很差 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体 使其导电性易于人为控制 本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为载流子 温度升高 热运动加剧 载流子浓度增大 导电性增强 热力学温度0K时不导电 影响半导体导电能力的因素 1 温度 热敏特性 2 光辐射 光敏特性 3 杂质 掺杂特性 掺杂百万分之一的相关杂质 导电能力提高约一百万倍 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 不改变其晶体结构 可使半导体的导电性发生显著变化 本征半导体在掺入杂质后称为杂质半导体 N型半导体 掺入五价杂质元素 如磷 的半导体 P型半导体 掺入三价杂质元素 如硼 的半导体 3 1 2杂质半导体 P44 在N型半导体中自由电子是多数载流子 它主要由杂质原子提供 空穴是少数载流子 由热激发形成 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子 因此五价杂质原子也称为施主杂质 1 N型半导体 磷 P 多数载流子 在P型半导体中空穴是多数载流子 它主要由掺杂形成 自由电子是少数载流子 由热激发形成 空穴很容易俘获电子 使杂质原子成为负离子 三价杂质因而也称为受主杂质 2 P型半导体 硼 B 多数载流子 3 杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响 一些典型的数据如下 以上三个浓度基本上依次相差106 cm3 本节中的有关概念 注意 少子浓度比多子浓度小几个数量级 本征半导体 杂质半导体 自由电子 空穴 N型半导体 P型半导体 多数载流子 少数载流子 施主杂质 受主杂质 3 1 3PN结 P45 1 PN结的形成 图3 1 5PN结的形成 将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 平衡PN结 温度不变 无光辐射 无外加电压条件下的PN结 多子的扩散和少子的漂移处于动态平衡 电流为0 2PN结的单向导电性 P46 1 PN结加正向电压 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 反之称为加反向电压 简称反偏 促使多子扩散 抑制少子漂移 产生大的正向扩散电流 空间电荷区变窄 2PN结的单向导电性 续 2 PN结加反向电压 少子漂移运动占主导 极微弱的的反向饱和电流 空间电荷区变宽 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 PN结加反向电压时 呈现高电阻 只有极小的反向漂移电流 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 其中 IS 反向饱和电流 UT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K 3PN结V I特性表达式 其中 q为电子电荷 1 6 10 19C k为波耳兹曼常数 1 38 10 23J K 电击穿原理 当PN结的反向电压增加到一定数值时 反向电流突然快速增加 此现象称为PN结的反向击穿 热击穿 不可逆 4PN结的反向击穿 齐钠击穿 电场直接导致PN结击穿 PN结内共价键被外电场打破 产生大量载流子 电流剧增 雪崩击穿 载流子的碰撞电离产生连锁反应导致PN结击穿 尽管PN结内电场强度还不到击穿电场强度 势垒电容示意图 5PN结的电容效应 P47 1 势垒电容Cb PN结外加电压变化时 空间电荷区的宽度随电压变化 从而导致空间电荷区积累的电荷随电压变化 这就是PN结的结电容效应 扩散电容示意图 5PN结的电容效应 续 2 扩散电容Cd PN结加正向电压时 多子扩散到对边半导体区而成为少数载流子 非平衡载流子 其浓度梯度与电流 即电压 保持对应关系 电流越大浓度梯度越大 积累的电荷也越多 这种非平衡少子积累的电荷随外加电压变化形成的电容效应 被称为PN结的扩散电容效应 3 PN结电容在实际应用中的几点考虑 1 正偏置时 扩散电容占主导 反偏置时 势垒电容占主导 3 PN结外加电压频率高到一定程度 则失去单向导电性 2 正偏置时 PN结电阻小 PN结电容影响小 反偏置时 PN结电阻大 PN结电容影响大 4 利用二极管的电容效应制造的变容二极管 广泛用于电子系统 3 2半导体二极管 一 二极管的组成 二 二极管的伏安特性及电流方程 三 二极管的等效电路 四 二极管的主要参数 五 稳压二极管 半导体二极管图片 3 2 1二极管的常见结构 将PN结封装 引出两个电极 就构成了二极管 点接触型 结面积小 结电容小故结允许的电流小最高工作频率高 面接触型 结面积大 结电容大故结允许的电流大最高工作频率低 平面型 结面积可小 可大小的工作频率高大的结允许的电流大 3 2 2二极管的伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性 开启电压 反向饱和电流 击穿电压 温度的电压当量 从二极管的伏安特性可以反映出 1 单向导电性 2 伏安特性受温度影响 T 在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS U BR T 正向特性左移 反向特性下移 正向特性为指数曲线 反向特性为横轴的平行线 3 2 3二极管的主要参数 最大整流电流IF 二极管长期运行时允许的最大平均电流最大反向工作电压UR 未击穿时最大瞬时值反向电流IR 即IS 二极管未击穿时的反相电流 最高工作频率fM 因PN结有电容效应 结电容为扩散电容 Cd 与势垒电容 Cb 之和 扩散路程中电荷的积累与释放 空间电荷区宽窄的变化有电荷的积累与释放 结电容不是常量 若PN结外加电压频率高到一定程度 则失去单向导电性 3 2 4二极管的等效电路1 将伏安特性折线化 理想二极管 近似分析中最常用 理想开关导通时UD 0截止时IS 0 导通时UD Uon截止时IS 0 导通时i与u成线性关系 应根据不同情况选择不同的等效电路 3 2 4二极管的等效电路 续 Q越高 rd越小 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时 则可将二极管等效为一个电阻 称为动态电阻 也就是微变等效电路 ui 0时直流电源作用 小信号作用 静态电流 2 微变等效电路 模型分析法应用举例 分析61页题3 5 二极管电路分析方法 3 2 5二极管基本应用电路 P53 1 整流电路1 半波整流电路 4 输出电压平均值 Uo 1 输出电压波形 3 二极管上承受的最高电压 2 二极管上的平均电流 ID IL 4 uo平均值Uo Uo 0 9U2 1 输出电压波形 2 二极管上承受的最高电压 3 二极管上的平均电流 2 单相全波整流电路 3 2 5二极管基本应用电路 续 2 下限检测电路 注 在逻辑电路中 本电路为二极管与门电路 分析方法 优先导通分析法 3 2 5二极管基本应用电路 续 3 放大器输入保护电路 P55图3 2 11 3 3稳压二极管及其基本应用电路 P55 3 3 1稳压二极管1 符号及伏安特性 a 符号及等效电路 1 稳定电压UZ 2 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下 所对应的反向工作电压 rZ UZ IZ 3 最大耗散功率PZM UZ IZmax 4 最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin 5 稳定电压温度系数 2 稳压二极管主要参数 正常稳压时UO UZ 稳压条件是什么 不加R可以吗 上述电路uI为正弦波 且幅值大于UZ uO的波形是怎样的 3 3 2稳压二极管的基本应用电路 P57 1 稳压管并联稳压电路 3 3 2稳压二极管的基本应用电路 续 2 稳压管限幅电路 对称双限幅电路 不对称双限幅电路 书上P58 P59限幅电路 1 光电二极管 3 4光电子器件 1 符号及伏安特性 2 分析要点a 无光照 与普通二极管相同 b 有光照加反向电压 为光控恒流源 c 有光照无外加电压 为光电池 为正极 P 2 发光二极管