级管知识,中英文版PPT演示文稿

1、1,二极管知識簡介,Diode Introduction,製作人:伍麗紅,Nov.28th,2,內容大綱:, 1.1 半导体的基本知识 1.2 PN 结及半导体二极管 1.3 特殊二极管,3,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。,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。,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。,1.1.1 导体、半导体和绝缘体,1.1 半导体的基本知识,4,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

2、明显变化。,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。,5,1.1.2 本征半导体,一、本征半导体的结构特点,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。,圖中,實線圓表示位於原子中心的原子核;虛線圓上的黑點表示核外按層次排布的電子;虛線圓表示電子圍繞原子核運動的軌跡.原子核與電子都帶電.電子帶負電,原子核帶正電.,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,6,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,通过一定的工艺过程

3、，可以将半导体制成晶体。,7,硅和锗的共价键结构,+4表示除去价电子后的原子,共价键共 用电子对,8,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。,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。,9,SMT類,DIP類,二、本征半导体的导电机理,1.载流子、自由电子和空穴,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。,在

4、常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,10,束缚电子,自由电子,空穴,11,2.本征半导体的导电机理,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。,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，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，因此可以认为空穴是载流子。,12,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。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,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

5、的外部因素，这是半导体的一大特点。,13,1.1.3 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。,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）。,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）。,14,一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子

6、。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,15,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。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,多余 电子,磷原子,16,二、P 型半导体,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,鋁原子,空穴,17,1.2 PN结及半导体二极管,2.1.1 PN结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,18,P型半导体,N型半导

7、体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,19,电位V,V0,P型区,空间电荷区,N型区,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,20,2.1.2 PN结的单向导电性,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。,P,N,+,_,21,二、PN 结反向偏置,P,N,R,E,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,22,2.1.3 半导体二极管,一、基本结构,PN 结加上管壳和引

8、线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,23,二、伏安特性,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V,反向击穿电压UBR,二极管的伏安特性也就是PN 结的伏安特性。把二极管的电流随外加偏置电压的变化规律，称为二极管的伏安特性，以曲线的形式描绘出来，就是伏安特性曲线。如圖1所示:,IR,UR,(圖 1),Is,24,当Uf0时，If0，PN结处于平衡状态，即 图1中的坐标原点。当Uf开始增加时，即正向特 性的起始部分。由于此时Uf较小,外电场还不足 以克服PN结的内电场，正向扩散电流仍几乎为零。只有当Uf大于死区电压（锗管约0.1 V，硅管约

9、0.5 V）后，外加电场才足以克服内电场，使扩散运动迅速增加，才开始产生正向电流If。,1）正向特性外加正偏电压Uf,25,2）反向特性外加反向偏压UR,当外加反向偏压时，宏观电流是由少子组成的反向漂移电流。当反向电压UR在一定范围内变化时，反向电流IR几乎不变，所以又称为反向饱和电流IS。当温度升高时，少子数目增加，所以IS增加。室温下一般硅管的反向饱和电流小于1 A，锗管为几十到几百微安 。,26,3）击穿特性外加反压增大到一定程度,击穿特性属于反向特性的特殊部分。当UR 继续增大，并超过某一特定电压值时，反向电流将急剧增大，这种现象称之为击穿。发生击穿时的UR 叫击穿电压UBR。如果PN

10、结击穿时的反向电流过大（比如没有串接限流电阻等原因），使PN结的温度超过PN结的允许结温（硅PN结约为150200 ，锗PN结约为75100 ）时，PN结将因过热而损坏。,27,三.一些重要的极限參數(Absolute Maximum Ratings),2. 最大整流电流 IO,指二极管在一定温度下，长期允许通过的最大正向平均电流，否则会使二极管因过热而损坏。,1.峰值反向電壓URM,二极管反向工作時允許外加的最高電壓.在任何瞬間都不允許超過這個值。,3.正向電流IF,在一定晶體溫度下的最大正向恆定電流(直流電流值或有效值) 。,28,4.週期峰值電流 IFRM,能週期性重複的最大允許峰值電流

11、.,5.脈衝電流 IFSM,電流導通時間小於1S時的脈衝電流最大值.,6.耗散功率Ptot,最大允許的總耗散功率.,7.耗盡層溫度Tj或j,晶體在耗盡層範圍內所允許的最高溫度.,8.儲存溫度範圍TS或S,二极管必須在這個溫度範圍內存放.二极管不能用在工作狀態範圍以內及以外的其它溫度,否則便會損壞.,29,四、一些重要的特徵參數(Electrical Characteristics),在一定正向電流下的正向電壓UF 在一定反向電壓和溫度下的反向電流IR 在一定反向電壓下的耗盡層電容C 在一定條件下的反向延遲時間trr 耗盡層與周圍空氣之間的熱阻RthU,30,1.3 特殊二极管,1.3.1 開關

12、二极管(Switching Diode , Schottky Diode ),在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用，因为二极管具有单向导电性，可以相当于一个受外加偏置电压控制的无触点开关。 如图2所示，为监测发电机组工作的某种仪表的部分电路。其中Us是需要定期通过二极管VD加入记忆电路的信号，Ui为控制信号。,31,当控制信号Ui=10 V时，VD的负极电位被抬高，二极管截止，相当于“开关断开”，Us不能通过VD；当Ui=0V时，VD正偏导通，Us可以通过VD加入记忆电路。此时二极管相当于“开关闭合”情况。这样，二极管VD就在信号Ui的控制下，实现了接通或关断Us信号的作用。,圖

13、2,32,極限參數和特徵參數:,1.反向電壓UR,2.正向電流IF,重要的極限參數有:,3.耗散功率Ptot,重要的特徵參數有:,1.正向恢復時間Tfr:又稱接通時間,它是消除耗盡層所需的時間.,2.反向恢復時間Trr:又稱斷開時間,它是耗盡層形成的時間.,3.電容Cj,4.反向電流IR,33,1.3.2 稳压二极管(Zener ),稳压二极管简称稳压管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，可以稳定地工作于击穿区而不损坏。稳压二极管的外形、内部结构均与普通二极管相似，其电路符号、伏安特性曲线如下图所示。,-,U,UZ,IZmin,曲线越陡，电压越稳定。,34,稳压二极管的参数:,1）稳

14、定电压UZ,UZ就是稳压管的反向击穿电压，它的大小取决于制造时的掺杂浓度。,2）最小稳定电流IZmin,稳压管正常工作时的最小电流值定义为最小稳定电流，记为IZmin，一般在几毫安以上。稳压管正常工作时的电流应大于IZmin，以保证稳压效果。,3）最大稳定电流IZmax和最大耗散功率PZM,稳压管允许流过的最大电流和最大功耗叫做最大稳定电流IZmax和最大耗散功率PZM。通过管子的电流太大，会使管子内部的功耗增大，结温上升而烧坏管子，所以稳压管正常工作时的电流和功耗不应超过这两个极限参数。一般有:,PZM=UZIZmax,35,4）动态电阻rz,稳压管反向击穿时的动态电阻，定义为电流变化量IZ

15、引起的稳定电压变化量UZ。,动态电阻是反映稳压二极管稳压性能好坏的重要参数,rz越小，反向击穿区曲线越陡，稳压效果就越好。,5）稳定电压UZ的温度系数K,稳定电压UZ的温度系数K定义为温度变化1 引起的稳定电压UZ的相对变化量，即:,36,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻RL=2K 。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,方程1,37,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,38,1.3.3 发光二极管 (LED),发光二极管属于电光转换器件的一种，是可以将电能直接转换成光能的半导体器件，简称“LED”，是英文 Light Emitting Diode