PN结和二极管培训1教学提纲.ppt

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 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JohnFleming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LeeDeForest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 寿命等方面都有局限性 返回目录 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 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展 返回目录 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 电磁波发射 返回目录 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 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 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 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 返回目录 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 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 半导体 电子 原子核 共价键 返回目录 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 半导体 空穴 电子 硅电子核 电子核 空穴 自由电子 返回目录 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 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 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 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 半导体 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 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 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 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模块的工作原理至关重要 返回目录 PN结和单向导电性 1PN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 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 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 返回目录 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 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 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 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的漂移运动 阻档了多数载流子的扩散运动 返回目录 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 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 或P区电位高于N区电位 返回目录 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 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 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 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 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 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 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 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 PN结单向导电性 3PN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 二极管 阳极 阴极 正极 负极 返回目录 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 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 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 二极管 2二极管的伏安特性 UBR 返回目录 二极管 二极管伏安特性曲线可用下式表示 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 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 二极管 当正向电压大于死区电压时 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 二极管 返回目录 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 二极管 I 返回目录 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 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 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 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 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 二极管 4 3反向电流IRIR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fmfM值主要决定于PN结结电容的大小 结电容愈大 则二极管允许的最高频率越低 返回目录 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 二极管 返回目录 二极管 返回目录 二极管 返回目录 二极管 3 返回目录 二极管 5 返回目录 二极管 返回目录 二极管 整流桥 返回目录 稳压二极管 1 稳压二极管的符号 2 稳压二极管字母表示 ZD3 稳压二极管工作特点 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 稳压二极管 常用稳压二极管的型号及稳压值如下表 型号1N47281N47291N47301N47321N47331N47341N47351N47441N47501N47511N4761稳压值3 3V3 6V3 9V4 7V5 1V5 6V6 2V15V27V30V75V 返回目录 稳压管 4 稳压二极管的主要参数4 1 稳定电压UZUZ是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压注意 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 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 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 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 稳压管 额定功耗PZ额定功耗PZ决定于稳压管允许的温升 PZ IZM UZ注意 IZM是稳压管最大稳