半导体器件基础与二极管电路ppt课件.ppt

安徽师范大学数学计算机科学学院 第5章半导体器件基础与二极管电路 本章内容概述 导体器件的出现改变了电子电路的组成格局 从20世纪60年代开始 半导体器件开始逐步取代真空管器件 在电子电路中占据绝对主导地位 本章首先介绍半导体器件的基础知识 介绍PN结的单向导电原理 然后着重介绍半导体二极管器件的外部特性和主要参数 为正确使用器件打下基础 最后介绍几种常用的二极管应用电路 导体 半导体和绝缘体 一 导体自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 二 绝缘体有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 三 半导体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 半导体有温敏 光敏和掺杂等导电特性 5 1半导体二极管的工作原理与特性 半导体的导电特性 半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有不同于其它物质的特点 例如 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 光敏元件 热敏元件属于此类 往纯净的半导体中掺入某些杂质 会使它的导电能力明显改变 二极管 三极管属于此类 本征半导体 化学成分纯净的半导体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99 9999999 常称为 九个9 它在物理结构上呈单晶体形态 电子技术中用的最多的是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 一 本征半导体 1 本征半导体结构 5 图5 1Ge和Si原子的模型 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 外层电子受原子核的束缚力最小 成为价电子 物质的性质是由价电子决定的 6 纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体 Ge或Si原子生成晶体时 其原子排列就由杂乱无章的状态变成了非常整齐的状态 原子间的距离都是相等的 研究一块纯净的Ge或Si晶体时 可发现每个原子有4个相邻的原子围绕着 每两个相邻原子间共有一对电子 称为价电子 组成共价键结构 共价键中的价电子为这些原子所共有 并为它们所束缚 在空间形成排列有序的晶体 如图5 2所示 其本征半导体晶体结构如图5 3所示 7 图5 2Ge或Si晶体的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 8 图5 3本征半导体晶体结构示意图 9 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 所以本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 10 2 本征激发 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 当温度升高或受到光的照射时 价电子能量增高 有的价电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 1 载流子 自由电子和空穴 这一现象称为本征激发 也称热激发 11 自由电子 空穴 束缚电子 空穴显示出的功效类似正电荷 严格地说 空穴不是正电荷 所以 空穴也是一种载流子 12 2 本征半导体的导电机理 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子来填补 但是 当一个自由电子进入空穴时 空穴就会消失 这称为复合 这样的结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 电流 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 13 温度越高 载流子的浓度越高 因此本征半导体的导电能力越强 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素 这是半导体的一大特点 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子移动产生的电流 2 空穴移动产生的电流 本征半导体中 产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴 由于空穴数量有限 所以其电阻率很大 14 二 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 P型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为 空穴半导体 N型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 15 掺杂的半导体称为杂质半导体 掺杂的方法是将少量的杂质元素加入到加热了的Ge或Si晶体中 如果在Si晶体中掺入少量的五价杂质元素 例如磷 P 元素 则P原子将全部扩散到加热了的Si晶体中 因为P原子比Si原子数目少得多 所以当冷却后形成固态晶体时 整个晶体结构不变 只是某些位置上的Si原子被P原子代替了 因为每个P原子有5个外层子 所以组成共价键后就自然而然地多出一个电子 此电子受原子核的束缚力很小 很容易成为自由电子 16 1 N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素 例如磷 可形成N型半导体 也称电子型半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键 而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子 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 另外 硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对 所以空穴是少数载流子 多余电子 磷原子 17 N型半导体结构 提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为正离子 因此五价杂质原子也称为施主原子 N型半导体的结构示意图如下图所示 N型半导体中的载流子是什么 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 18 2 P型半导体 空穴 硼原子 P型半导体中 空穴是多数载流子 主要由掺杂形成 电子是少数载流子 由热激发形成 19 杂质半导体的示意表示法 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 20 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 21 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 5 半导体的导电能力与温度 光强 杂质浓度和材料性质有关 22 载流子的运动载流子在电场作用下的漂移运动没有电场作用时 半导体内部的自由电子和空穴的运动是杂乱无章的热骚动 其运动方向不断改变 因此从平均的意义上来说不会产生电流 当有外电场作用时 自由电子在热运动的同时还要叠加上逆电场方向的运动 空穴则叠加上顺电场方向的运动 在电场作用下载流子的运动称为漂移运动 由漂移运动产生的电流为漂移电流 载流子的运动 续 载流子的扩散运动如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在差异 那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边扩散 由于浓度差引起的载流子运动为扩散运动 相应产生的电流为扩散电流 1 PN结的形成物质从浓度大的地方向浓度小的地方运动叫扩散 当P型半导体和N型半导体结合在一起时 因为空穴在P区中是多子 在N区中是少子 同样 电子在N区中是多子 在P区中是少子 所以在P N两区交界处 由于载流子浓度的差异 要发生电子和空穴的扩散运动 多子都要向对方区域移动 当电子和空穴相遇时会复合消失 假设扩散运动的方向由正指向负 P区指向N区 则空穴将顺扩散运动方向移动 电子将逆扩散运动方向移动 5 1 1PN结及其单向导电特性 25 P型半导体 N型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉 使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子 N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子 这样在两种半导体交界处逐渐形成由正 负离子组成的空间电荷区 耗尽层 由于P区一侧带负电 N区一侧带正电 所以出现了方向由N区指向P区的内电场 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 26 当扩散和漂移运动达到平衡后 空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来 此时 有多少个多子扩散到对方 就有多少个少子从对方飘移过来 二者产生的电流大小相等 方向相反 因此 在相对平衡时 流过PN结的电流为0 27 扩散的结果在两区交界处的P区一侧 出现了一层带负电荷的粒子区 即不能移动的负离子 在N区一侧 出现了一层带正电荷的粒子区 即不能移动的正离子 形成了一个很薄的空间电荷区 这就是PN结 如图 28 浓度差 多子扩散 空间电荷区 杂质离子 内电场 促少子阻多子漂移扩散 动态平衡时 PN结形成过程 29 1 空间电荷区中没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴 N区中的电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 P区中的电子和N区中的空穴 都是少子 数量有限 因此由它们形成的电流很小 注意 30 2 PN结的单向导电特性 PN结加上正向电压 正向偏置的意思都是 P区加正 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置的意思都是 P区加负 N区加正电压 31 一 PN结正向偏置 内电场被削弱 多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性 32 1 当0 Uf UT时 UT为死区电压 或称门坎电压 这时由于外电场还不足以克服内电场对载流子扩散所造成的阻力 所以正向电流If几乎为零 PN结呈现出一个大电阻 好像有一个门坎 2 当Uf UT后 这时在外电场的作用下 内电场被大大削弱 多子不断地向对方区域扩散 且进入空间电荷区后 一部分空穴会与负离子中和 一部分电子会与正离子中和 使空间电荷量减少 PN结变窄 33 空间电荷区中载流子数量的增加 相当于PN结电阻的减小 这样 载流子就能顺利地越过PN结 形成闭合的回路 产生较大的正向电流If 因为外电源不断地向半导体提供空穴和电子 所以使电流If得以维持 PN结的正向特性曲线如图 b 所示 34 1 空间电荷区变窄的过程 相当于载流子充进了PN结 P区一侧充正电 充入空穴 N区一侧充负电 充入电子 这现象如同一个电容器的充电 此电容称为耗尽层电容Ct 它是由耗尽层内电荷存储作用引起的 我们知道 耗尽层内有不能运动的正负离子 因而该层缺少载流子 导电率很低 相当于介质 而它两边的P区和N区导电率相对很高 相当于金属 当外加电压改变时 耗尽层的电荷量也要改变 引起电容效应 耗尽层有势垒 因此称为势垒电容 需要指出的是 35 二 PN结反向偏置 N P 内电场被被加强 多子的扩散受抑制 可忽略扩散电流 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 PN结呈现高阻性 R UR 36 因此 PN结处于反偏时 电阻是很大的 PN结的反向特性曲线如图所示 IR有时也称为反向饱和电流IS 这是因为当温度不变时 少子的浓度不变 所以在一定的电压范围内 IR几乎不随反偏电压的增加而变大 见图 但温度升高会使少子增加 故IR会随温度的上升而增长很快 这就是PN结的温度特性 由此可见 PN结具有单向导电的特性及温度特性 37 半导体二极管半导体二极管的电路符号与基本结构半导体二极管内部就是一个PN结 将其封装并接出两个引出端 从P区引出的端称为阳极 正极 从N区引出的端称为阴极 负极 电路符号如图所示 阳极 阴极 D 二极管电路符号 根据PN结的单向导电性 二极管只有当阳极电位高于阴极电位时 才能按箭头方向导通电流 符号箭头指示方向为正 色点则表示该端为正极 为了防止使用时极性接错 管壳上标有 符号或色点 如果二极管极性接错 不仅造成电路无法正常工作 还会烧坏二极管及电路中其他元件 5 1 2半导体二极管的基本结构 半导体二极管的结构及符号 a 点接触型 b 面接触型 C 符号 f 1 2 RC 半导体二极管的伏安特性 正向导通 0 5 锗 硅 0 2 1 正向特性 外加正向电压时 正向特性的起始部分 正向电流几乎为零 这一段称为 死区 对应于二极管开始导通时的外加电压称为 死区电压 锗管约为0 2V 硅管约0 5V 其中 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K 正向 反向 近似 PN结方程 半导体二极管的伏安特性 续 2 反向特性 外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流 称为反向饱和电流或漏电流 该电流受温度影响很大 3 击穿特性 外加反向电压超过某一数值时 反向电流会突然增大 这种现象称为击穿 击穿时 二极管失去单向导电性 对应的电压称为击穿电压 正向导通 反向截止 击穿 0 5 锗 硅 0 2 反向饱和电流 反向击穿现象有两种类型 1 雪崩击穿 当反向电压太高时 载流子在阻挡层中将受到强烈的电场加速作用 获得足够的能量去碰撞原子 产生新的电子 空穴对 被撞出的载流子获得能量后又可能再去碰撞别的原子 如此连锁反应造成了载流子的剧增 这种击穿多发生在掺杂浓度不大的PN结 雪崩击穿电压一般高于6V 2 齐纳击穿 当反向电压足够大时 阻挡层中的强电场会将电子从共价键中强行拉出 产生电子 空穴对 使载流子剧增 其效果与温度升高相仿 这种击穿多发生在掺杂浓度较高的PN结 齐纳击穿电压一般低于6V PN结被击穿后 PN结上的压降高 电流大 功率大 当PN结上的功耗使PN结发热 并超过它的耗散功率时 PN结将发生热击穿 这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环 最终将导致PN结烧毁 二极管的电路模型在实际电路分析 设计中常使用逐段线性的二极管特性 1 理想二极管的电路模型 导通电压UD与二极管材料有关 硅管为0 6 0 7V 锗管为0 2 0 3V 2 考虑导通电压的二极管模型 UD 3 考虑正向伏安特性曲线斜率的二极管电路模型 以动态电阻rD表示曲线的斜率 rD的值随二极管工作点Q变化而变化 UD 理想二极管应用电路实例限幅电路 输入电压为一正弦波 电池电压 E 4V 4 截止 截止 导通 导通 如果考虑二极管导通电压 则此时输出电压应为4 7V 当输入电压小于电池电压时 二极管两端电压处于反向偏置 截止 没有电流流过 所以输出电压跟随输入电压变化 当输入电压大于电池电压时 二极管两端电压处于正向偏置 导通 二极管两端电压为0 所以输出电压与电池电压相同 为4V 解 当ui 10V时 VD1正偏短路 VD2反偏开路 uo 10V 当ui 10V时 VD1反偏开路 VD2正偏短路 uo 10V 当 10V UI 10V时 VD1 VD2均反偏开路 uo ui uo波形如图 b 所示 例电路及输入电压Ui的波形如图所示 画出输出电压uo的波形 图二极管双向限幅电路 a 电路 b 波形 补充 二极管与门和或门电路 1 电路 2 工作原理 A B为输入信号 3V或0V Y为输出信号VCC 10V 电路输入与输出电压的关系 一 二极管与门 用逻辑1表示高电平 此例为 3V 用逻辑0表示低电平 此例为 0 7V 3 逻辑赋值并规定高低电平 4 真值表 可见实现了与逻辑 5 逻辑符号6 工作波形 又一种表示逻辑功能的方法 7 逻辑表达式Y AB 二极管与门 a 电路 b 逻辑符号 c 工作波形 1 电路 2 工作原理 A B为输入信号 3V或0V F为输出信号 二 二极管或门 4 真值表 可见实现了或逻辑 3 逻辑赋值并规定高低电平 用逻辑1表示高电平 此例为 2 3V 用逻辑0表示低电平 此例为 0V 二极管或门 a 电路 b 逻辑符号 c 工作波形 5 逻辑符号6 工作波形7 逻辑表达式F A B 半导体二极管主要参数 1 最大整流电流IOM 二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流 由PN结结面积和散热条件决定 超过此值工作可能导致过热而损坏 2 反向工作峰值电压URWM 为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压 一般为反向击穿电压的一半 表5 1Si和Ge二极管的UT UD及IS值 3 反向电流IR 二极管未被击穿时 流过二极管的反向电流 此值越小 单向导电性越好 硅管优于锗管 4 最高工作频率fM 二极管维持单向导电性的最高工作频率 由于二极管中存在结电容 当频率很高时 电流可直接通过结电容 破坏二极管的单向导电性 稳压二极管稳压管是一种特殊的硅二极管 它允许通过较大的反向电流 经过特殊工艺使其反向击穿电压比普通二极管低得多 几到几十伏 利用其反向击穿特性 配以合适的电阻 在电路中可起稳压的作用 二极管在加反向偏置电压时 处于截止状态 仅有很小的反向饱和电流 但是如果反向电压增大到一定值时 PN结的电场强度太大 将导致二极管的反向击穿 这时 二极管反向电流迅速增大而电压却基本不变 反向击穿 稳压管符号及特性曲线 a 符号 b 伏安特性曲线 阳极 因为这种二极管具有稳定电压的作用 所以要与用于整流 检波等用途的普通二极管区别开 称为稳压管 稳压管用字母VDZ表示 它的符号如图 a 所示 图 b 是它的伏安特性曲线 由图 b 可知 稳压管在反向击穿时的曲线比较陡直 值得指出的是 稳压管必须工作在反向偏置 利用正向稳压的除外 即阴极接电源正极 阳极接电源负极 如图 a 所示 如果极性接错 二极管就处于正向偏置状态 稳压效果就差了 另外 稳压管可以串联使用 一般不能并联