《晶体二极管及应用》PPT课件

第1章绪论第2章晶体二极管及应用第3章晶体三极管及应用第4章场效应管及基本放大电路第5章放大电路的频率响应第6章负反馈放大电路第7章双极型模拟集成电路的分析与应用第8章集成运算放大器的分析与应用第10章直流稳压源电路,课程章节,问题：1.为什么用半导体材料制作电子器件？2.PN结上所加的电压和电流符合欧姆定律吗？3.常用电子器件主要有哪些？4.各种器件有何功能？,第二章晶体二极管及应用,第二章晶体二极管及应用,2.1半导体基础知识2.2PN结2.3半导体二极管（二极管）,2.1半导体基础知识,一、半导体的特性二、本征半导体及半导体的能带三、杂质半导体,一、半导体特性,导体:,导电率为105s.cm-1，量级，如金属。（S:西门子),绝缘体:,导电率为10-2210-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。,导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。,半导体:,半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,温度特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光照特性,光敏器件光电器件,二、本征半导体及半导体的能带,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,+4,晶体特征,在晶体中，质点的排列有一定的规律。,硅（锗）的原子结构简化模型,价电子,正离子,注意：为了方便，原子结构常用二维结构描述，实际上是三维结构。,锗晶体的共价键结构示意图半导体能带结构示意图,价带中留下的空位称为空穴,自由电子定向移动形成电子流,本征半导体的原子结构和共价键,共价键内的电子称为束缚电子,外电场E,束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流,二、本征半导体及半导体的能带（续）,挣脱原子核束缚的电子称为自由电子,1.本征半导体中有两种载流子,自由电子和空穴,它们是成对出现的,2.在外电场的作用下，产生电流,电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运动形成的方向与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的方向与外电场方向相同始终在价带内运动,二、本征半导体及半导体的能带（续）,3.注意：本征半导体在热力学零度（0K）和没有外界能量激发下，晶体内无自由电子，不导电。,载流子概念：运载电荷的粒子。,本征半导体的载流子的浓度,电子浓度ni:表示单位体积内的自由电子数空穴浓度pi:表示单位体积内的空穴数。,A0与材料有关的常数EG0禁带宽度T绝对温度k玻尔曼常数,1.本征半导体中电子浓度ni=空穴浓度pi,2.载流子的浓度与T、EG0有关,二、本征半导体及半导体的能带（续）,载流子的产生与复合,g载流子的产生率即每秒成对产生的电子空穴的浓度。R载流子的复合率即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时g=RR=rnipi其中r复合系数，与材料有关。,二、本征半导体及半导体的能带（续）,三、杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。,掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。,掺入的五价元素如P（磷）、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。,N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入的五价元素，如P。,自由电子是多子（即多数载流子）,空穴是少子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子。,三、杂质半导体（续）,+5,+5,自由电子是多子（即多数载流子）,空穴是少子,问题：与本征半导体相比，N型半导体中空穴多了？还是少了？,N型半导体,举例：锗原子密度为4.41022/cm3，锗本征半导ni=2.51013/cm3，若每104个锗原子中掺入1个磷原子（掺杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了10-44.41022=4.41018/cm3个磷原子。则施主杂质浓度为：ND=4.41018/cm3（比ni大十万倍）,杂质半导体小结：尽管杂质含量很少（如万分之一），但提供的载流子数量仍远大于本征半导体中载流子的数量。载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导电能力激增。半导体的掺杂、温度等可人为控制。,P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入的三价元素如B。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形成,因留下的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。,三、杂质半导体（续）,杂质半导体的载流子浓度,N型半导体：施主杂质的浓度NDn表示总电子的浓度p表示空穴的浓度,n=p+NDND（施主杂质的浓度p）,P型半导体：NA表示受主杂质的浓度，n表示电子的浓度p表示总空穴的浓度,p=n+NANA（受主杂质的浓度n）,三、杂质半导体（续）,说明：因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数R保持不变。在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数。,结论：在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变。,三、杂质半导体（续）,其中：ni表示本征材料中电子的浓度pi表示本征材料中空穴的浓度。,np,=nipi,=ni2=C,2.2PN结,一、PN结的形成二、PN结的接触电位差三、PN结的伏安特性四、PN结的反向击穿五、PN结电容六、PN结的光电效应与电致发光,一、PN结的形成,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时达到动态平衡,耗尽层PN结,P区,N区,空穴,自由电子,负电荷,正电荷,内电场阻止多子扩散,浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动。扩散运动产生扩散电流。,漂移运动,少子向对方漂移,称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN结,稳定的空间电荷区,，又称高阻区,，也称耗尽层。,一、PN结的形成（续）,P区,N区,内电场的建立，使PN结中产生了电位差，从而形成接触电位U。,接触电位U决定于材料及掺杂浓度,二、PN结的接触电位差,硅：U=0.60.7V锗：U=0.20.3V,三、PN结的伏安特性,1.PN结加正向电压时的导电情况,原理：外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,结论：PN结正偏时，呈现低阻性。,2.PN结加反向电压时的导电情况,原理：外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,内,外,三、PN结的伏安特性（续）,结论：PN结反偏时，呈现高阻性，近似为截止状态。,结论是：PN结具有单向导电性。,小结：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，具有很小的反向漂移电流。,三、PN结的伏安特性（续）,问题：有必要加电阻R吗？,PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式,式中Is饱和电流;UT=kT/q等效电压k波尔兹曼常数；q为电子的电量；T=300k（室温）时UT=26mv,由半导体物理可推出：,三、PN结的伏安特性（续）,3.PN结电流方程,当加反向电压时：,当加正向电压时：,(UUT),三、PN结的伏安特性（续）,结电流方程,四、PN结的反向击穿,反向击穿：,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。,雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生。,击穿是可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生。,不可逆击穿,热击穿。,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,五、PN结电容,势垒电容CB,当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在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。,五、PN结电容（续）,注意：势垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。,扩散电容CD,外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。,PN结的电致发光,如果在PN结加正偏电压E，外电场将消弱内建电场对载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光增益。,六、PN结的光电效应及电致发光,P,N,PN结的光电效应,PN结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、P区、N区内产生光生的电子-空穴对，耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向N区，空穴移向P区，在回路内形成光电流，而P、N区内产生的光子无内建电场的作用只进行自由的扩散运动，多数因复合而消失，对光电流基本没有贡献。,IP,注意：为了充分利用在PN结各区内产生的光生载流子，PN结需加适当的反向偏压。,六、PN结的光电效应及电致发光,一、晶体二极管的结构类型二、晶体二极管的伏安特性三、晶体二极管的等效电阻四、光电二极管五、发光二极管六、稳压二极管七、变容二极管八、二极管的典型应用,2.3晶体二极管,一、晶体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。,二极管按结构分,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路,PN结面积大，用于工频大电流整流电路,往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，,1.当加正向电压时,PN结电流方程为：,2.当加反向电压时,I随U，呈指数规率,I-Is,I基本不变,二、晶体二极管的伏安特性,晶体二极管的伏安特性,正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：Ur=0.50.6V;锗：Ur=0.10.2V。加反向电压时，反向电流很小即Is硅(nA)0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。晶体二极管基本用途是整流稳压和限幅等。半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电、电光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。,小结,重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。难点：1.两种载流子2.PN结的形成3.单向导电性4.载流子的运动,重点难点,例题：判断图示电路中的二极管能否导通。,解题思路：判断二极管在电路中工作状态的方法是先假设二极管断开，分别计算二极管两极的电压，然后比较阳极电压与阴极间将承受的电压，如果该电压大于二极管的导通电压，则说明二极管导通，否则截止。如果判断过程中，电路出现两个以上的二极管承受大小不等的正向电压，则应判定承受正向电压较大者优先导通，其两端电压为导通电压，然后在用上述方法判断其他二极管的导通状态。,结果：,则VAVB，二极管为截止状态。,填空：1.在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于（A），少数载流子的浓度则与（B）有很