《晶体二极管及应用》ppt课件

1、1/132第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 晶体二极管及运用晶体二极管及运用第第3 3章章 晶体三极管及运用晶体三极管及运用第第4 4章章 场效应管及根本放大电路场效应管及根本放大电路第第5 5章章 放大电路的频率呼应放大电路的频率呼应第第6 6章章 负反响放大电路负反响放大电路第第7 7章章 双极型模拟集成电路的分析与运用双极型模拟集成电路的分析与运用第第8 8章章 集成运算放大器的分析与运用集成运算放大器的分析与运用第第1010章章 直流稳压源电路直流稳压源电路2/132问题：问题：1.为什么用半导体资料制造电子器件？为什么用半导体资料制造电子器件？2.PN结上所加的电压和电流符合欧

2、姆定律吗？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？常用电子器件主要有哪些？4. 各种器件有何功能？各种器件有何功能？第二章晶体二极管及运用第二章晶体二极管及运用3/132第二章晶体二极管及运用第二章晶体二极管及运用2.1 2.1 半导体根底知识半导体根底知识2.2 PN2.2 PN结结2.3 2.3 半导体二极管二极管半导体二极管二极管4/132一、半导体的特性一、半导体的特性二、本征半导体及半导体的能带二、本征半导体及半导体的能带三、杂质半导体三、杂质半导体5/132 什么是半导体？什么是半导体？导导 体体: 导电率为导电率为105s-1105s-1，量级，如金属。，

3、量级，如金属。S:S:西门子西门子) )绝缘体绝缘体: 导电率为导电率为10-2210-2210-14 s-110-14 s-1量级，如：橡胶、云量级，如：橡胶、云母、塑料等。母、塑料等。导电才干介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷导电才干介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。化镓等。半导体半导体: 半导体特性半导体特性掺入杂质那么导电率添加几百倍掺入杂质那么导电率添加几百倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度添加使导电率大为添加温度添加使导电率大为添加温度特性温度特性热敏器件热敏器件光照不仅使导电率大为添加还可以产生电动势光照不仅使导电率大为添加还可以产生电动势光照特性光照特性光敏

4、器件光敏器件光电器件光电器件6/132本征半导体本征半导体完全纯真、构造完好的半导体晶体。完全纯真、构造完好的半导体晶体。纯度：纯度：99.9999999%99.9999999%，“九个九个9 9它在物理构它在物理构造上呈单晶体形状。造上呈单晶体形状。常用的本征半导体常用的本征半导体+4晶体特征晶体特征在晶体中，质点的陈列有一定的规律。在晶体中，质点的陈列有一定的规律。硅锗的原子硅锗的原子构造简化模型构造简化模型价电子价电子正离子正离子留意：为了方便，留意：为了方便，原子构造常用二维原子构造常用二维构造描画，实践上构造描画，实践上是三维构造。是三维构造。7/132锗晶体的共价键构造表示图锗晶体

5、的共价键构造表示图 半导体能带构造表示图半导体能带构造表示图价带中留下的空位称为空穴价带中留下的空位称为空穴导带导带自在电子定向挪动自在电子定向挪动构成电子流构成电子流 本征半导体的原子构造和共价键本征半导体的原子构造和共价键共价键内的电子共价键内的电子称为束缚电子称为束缚电子价带价带禁带禁带EG外电场外电场E束缚电子填补空穴的束缚电子填补空穴的定向挪动构成空穴流定向挪动构成空穴流挣脱原子核束缚的电子挣脱原子核束缚的电子称为自在电子称为自在电子8/1321. 本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子 自在电子和空穴自在电子和空穴它们是成对出现的它们是成对出现的2. 在外电场的作用下，产

6、生电流在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流和空穴流电子流电子流自在电子作定向运动构成的自在电子作定向运动构成的方向与外电场方向相反方向与外电场方向相反自在电子一直在导带内运动自在电子一直在导带内运动空穴流空穴流价电子递补空穴构成的价电子递补空穴构成的方向与外电场方向一样方向与外电场方向一样一直在价带内运动一直在价带内运动3. 留意：本征半导体在热力学零度留意：本征半导体在热力学零度0K和没有外界能量激和没有外界能量激发下，晶体内无自在电子，不导电。发下，晶体内无自在电子，不导电。载流子概念：运载电荷的粒子。载流子概念：运载电荷的粒子。9/132 本征半导体的载流子的浓度本征半导体的

7、载流子的浓度电子浓度电子浓度 ni : ni :表示单位体积内的自在电子数表示单位体积内的自在电子数空穴浓度空穴浓度 pi : pi :表示单位体积内的空穴数。表示单位体积内的空穴数。G03/2k2iioETnpA T e A0 与资料有关的常数与资料有关的常数EG0 禁带宽度禁带宽度T 绝对温度绝对温度k 玻尔曼常数玻尔曼常数结论结论1. 本征半导体中本征半导体中 电子浓度电子浓度ni = 空穴浓度空穴浓度pi 2. 载流子的浓度与载流子的浓度与T、EG0有关有关 10/132 载流子的产生与复载流子的产生与复合合g载流子的产生率载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。即每秒成对产生

8、的电子空穴的浓度。R载流子的复合率载流子的复合率 即每秒成对复合的电子空穴的浓度。即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当到达动态平衡时当到达动态平衡时 g=R R = r nipi 其中其中r复合系数，与资料有关。复合系数，与资料有关。11/132杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。掺杂后半导体的导电率大为提高。 掺入的三价元素如掺入的三价元素如B硼、硼、Al铝铝等，构成等，构成P型半导体，也称空穴型半导体。型半导体，也称空穴型半导体。 掺入的五价元素如掺入的五价元素如P磷磷 、砷等，、砷等，构成构成N型半导体，也称电子型半导体。型半导体，

9、也称电子型半导体。12/132 N型半导体型半导体在本征半导体中掺入的五价元素，如在本征半导体中掺入的五价元素，如P。价带价带导带导带+施主施主能级能级自在电子是多子即多数载流子自在电子是多子即多数载流子空穴是少子空穴是少子杂质原子提供杂质原子提供由热激发构成由热激发构成由于五价元素很容易奉献电由于五价元素很容易奉献电子，因此将其称为施主杂质。子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自在电子而施主杂质因提供自在电子而带正电荷成为正离子。带正电荷成为正离子。13/132自在电子是多子即多数载流子自在电子是多子即多数载流子空穴是少子空穴是少子问题：与本征半导体相比，问题：与本征半导体相比，N型半导

10、体中空穴多了？型半导体中空穴多了？还是少了？还是少了？ N型半导体型半导体14/132举例：锗原子密度为举例：锗原子密度为4.41022/cm3 ，锗本征半导，锗本征半导ni=2.51013/cm3，假设每，假设每104个锗原子中掺入个锗原子中掺入1个磷原子个磷原子掺杂密度为万分之一，那么在单位体积中就掺入了掺杂密度为万分之一，那么在单位体积中就掺入了10-44.41022=4.41018/cm3个磷原子。个磷原子。 那么施主杂质浓度为：那么施主杂质浓度为： ND= 4.41018/cm3 比比ni大十万倍大十万倍杂质半导体小结：杂质半导体小结：虽然杂质含量很少如万分之一，但提供的载流子虽然杂

11、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。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，故使导电载流子的浓度主要取决于多子即杂质，故使导电才干激增才干激增 。半导体的掺杂、温度等可人为控制。半导体的掺杂、温度等可人为控制。15/132 P型半导体型半导体在本征半导体中掺入的三价元素如在本征半导体中掺入的三价元素如 B。价带价带导带导带-受主受主能级能级自在电子是少子自在电子是少子空穴是多子空穴是多子杂质原子提供杂质原子提供由热激发构成由热激发构成因留下的空穴很容易俘获因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负电子，使杂质原子成为负离子

12、。三价杂质离子。三价杂质 因此也因此也称为受主杂质。称为受主杂质。杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度N型半导体：施主杂质的浓度型半导体：施主杂质的浓度ND n 表示总电子的浓度表示总电子的浓度 p 表示空穴的浓度表示空穴的浓度n =p+ND ND施主杂质的浓度施主杂质的浓度pP型半导体：型半导体： NA表示受主杂质的浓度表示受主杂质的浓度 ， n 表示电子的浓度表示电子的浓度 p 表示总空穴的浓度表示总空穴的浓度p= n+ NA NA 受主杂质的浓度受主杂质的浓度n 阐明：因掺杂的浓度很小，可近似以为复合系数阐明：因掺杂的浓度很小，可近似以为复合系数R坚持不坚持不变。在一定温度条件下

13、，空穴与电子浓度的乘积为一常数。变。在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数。17/132结论：在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体结论：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，但两者乘积坚持不变。得多，但两者乘积坚持不变。其中：其中：ni 表示本征资料中电子的浓度表示本征资料中电子的浓度 pi 表示本征资料中空穴的浓度。表示本征资料中空穴的浓度。n p = ni pi = ni2=C18/13219/132P区区N区区分散运动分散运动载流子从浓度大向浓度小载流子从浓度大向浓度小的区域分散的区域

14、分散,称分散运动称分散运动构成的电流成为分散电流构成的电流成为分散电流内电场内电场内电场妨碍多子向对方的分散内电场妨碍多子向对方的分散即妨碍分散运动即妨碍分散运动同时促进少子向对方漂移同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动即促进了漂移运动分散运动分散运动=漂移运动时漂移运动时到达动态平衡到达动态平衡耗尽层耗尽层PN结结P区区N区区空穴空穴自在电子自在电子负电荷负电荷正电荷正电荷20/132内电场阻止多子分散内电场阻止多子分散 浓度差浓度差多子的分散运动多子的分散运动由杂质离子构成空间电荷区由杂质离子构成空间电荷区空间电荷区构成内电场空间电荷区构成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移分散运

15、动分散运动多子从浓度大向浓度小的区域分散多子从浓度大向浓度小的区域分散, 称分散运动。称分散运动。分散运动产生分散电流。分散运动产生分散电流。漂移运动漂移运动少子向对方漂移少子向对方漂移,称漂移运动。称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。漂移运动产生漂移电流。动态平衡动态平衡分散电流分散电流 = = 漂移电流，漂移电流，PNPN结内总电流结内总电流=0=0。PN PN 结结稳定的空间电荷区稳定的空间电荷区，又称高阻区，又称高阻区 ，也称耗尽层。，也称耗尽层。P区区N区区21/132 U 内电场内电场 的建立，使的建立，使PN结中产生结中产生了电位差了电位差 ，从而构成接触电位，从而构成接触电位U

16、。接触电位接触电位U U决议于资料及掺杂浓度决议于资料及掺杂浓度硅：硅： U U=0.6=0.60.7 V0.7 V锗：锗： U U=0.2=0.20.3 V0.3 V22/1321. PN1. PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 原理：外电场方向与原理：外电场方向与PNPN结内电场方向相反，减弱结内电场方向相反，减弱了内电场。了内电场。 于是内电场对多子分于是内电场对多子分散运动的妨碍减弱，分散散运动的妨碍减弱，分散电流加大。电流加大。 分散电流远大于漂移分散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的电流，可忽略漂移电流的影响。影响。P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加正

17、向电压，简称正偏；区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内内外外结论：结论：PNPN结正偏时，呈现低阻性。结正偏时，呈现低阻性。23/1322. PN2. PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况原理：外电场与原理：外电场与PNPN结内电场结内电场方向一样，加强内电场。方向一样，加强内电场。 内电场对多子分散内电场对多子分散运动妨碍加强，分散电流大运动妨碍加强，分散电流大大减小。少子在内电场的作大减小。少子在内电场的作用下构成的漂移电流加大。用下构成的漂移电流加大。 此时此时PNPN结区少子漂结区少子漂移电流大于分散电流，可忽移电流大于分散电流，可忽略分散电流。略分散电流。P区的电位

18、低于区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。区的电位，称为加反向电压，简称反偏。内内外外结论：结论：PNPN结反偏时，呈现高阻性，结反偏时，呈现高阻性，近似为截止形状。近似为截止形状。24/132结论是：结论是：PN结具有单导游结具有单导游电性。电性。小结：小结： PN结加正向电压时，呈结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向现低电阻，具有较大的正向分散电流；分散电流； PN结加反向电压时，呈结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向现高电阻，具有很小的反向漂移电流。漂移电流。问题：有必要问题：有必要加电阻加电阻R吗？吗？25/132PN结两端的电压与结两端的电压与流过流过PN结电

19、流的关系式结电流的关系式式中式中 Is 饱和电流饱和电流; UT = kT/q 等效电压等效电压 k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；q为电子的电量；为电子的电量； T=300k室温时室温时 UT= 26mv由半导体物理可推出：由半导体物理可推出：1)(TSUUeII3. PN3. PN结电流方程结电流方程26/1321)(TSUUeII当加反向电压时：当加反向电压时：当加正向电压时：当加正向电压时：(UUT)TSUUeII SII 结电流方程结电流方程IU27/132反向击穿：反向击穿： PN结上所加的反向电压到达某一数值时，反向电结上所加的反向电压到达某一数值时，反向电流激增的景象。流激增的景

20、象。雪崩击穿雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在当反向电压增高时，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。构空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。构成连锁反响，象雪崩一样。使反向电流激增。成连锁反响，象雪崩一样。使反向电流激增。齐纳击穿齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，构成大量载流子子拉出来，构成大量载流子, ,使反向电流激增。使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生。小的二极管容易发生。击穿是可逆。掺杂浓度击穿是可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生。大的二

21、极管容易发生。不可逆击穿不可逆击穿 热击穿。热击穿。 PN结的电流或电压较大，使结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超越极限值，使结温结耗散功率超越极限值，使结温升高，导致升高，导致PN结过热而烧毁。结过热而烧毁。28/132 势垒电容势垒电容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一样。耗尽层宽窄变化所多或减少，与电容的充放电过程一样。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。等效的电容为势垒电容。29/132 分散电容是由多子分散后，在分散电容是由多子分散后，在PN结的另一侧面积累而结的另一侧面积累而构成的。

22、因构成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区分散到区分散到P区的电子，与外电区的电子，与外电源提供的空穴相复合，构成正向电流。刚分散过来的电子就源提供的空穴相复合，构成正向电流。刚分散过来的电子就堆积在堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的附近，构成一定的多子浓度梯度结的附近，构成一定的多子浓度梯度分布曲线。分布曲线。留意：势垒电容和分散电留意：势垒电容和分散电容均是非线性电容容均是非线性电容, ,并同时并同时存在。外加电压变化缓慢时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。不容忽略。 分散电容分散电容CD 外加电压不同情况下，外加电压不同情况下，P、N区

23、少子浓度的分布将发生区少子浓度的分布将发生变化，分散区内电荷的积累变化，分散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过与释放过程与电容充放电过程一样，这种电容等效为分程一样，这种电容等效为分散电容。散电容。30/132 PN结的电致发光结的电致发光 假设在假设在PNPN结加正偏电压结加正偏电压E E，外电场将消弱内建电场对，外电场将消弱内建电场对载流子分散的阻挠作用。在外加电场满足一定条件下，注载流子分散的阻挠作用。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经过辐射复合而产生光子的速入到耗尽区内的电子和空穴经过辐射复合而产生光子的速率将大于资料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光率将大

24、于资料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光增益。增益。EDPN31/132 PN结的光电效应结的光电效应 PN结用导线衔接成回路时，载流子面临结用导线衔接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻结势垒的阻挠，在回路中不产生电流。当有光照射挠，在回路中不产生电流。当有光照射PN结资料上时，假设结资料上时，假设光子能量大于半导体的禁带宽度，那么在光子能量大于半导体的禁带宽度，那么在PN结的耗尽区、结的耗尽区、P区、区、N区内产生光生的电子区内产生光生的电子-空穴对，耗尽区内的载流子在内空穴对，耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向建场的作用下电子迅速移向N区，空穴移向区，空穴移向P区，在回路内构

25、区，在回路内构成光电流，而成光电流，而P、N区内产生的光子无内建电场的作用只进展区内产生的光子无内建电场的作用只进展自在的分散运动，多数因复合而消逝，对光电流根本没有奉自在的分散运动，多数因复合而消逝，对光电流根本没有奉献。献。DEDDRLUDIP留意：为了充分利用在留意：为了充分利用在PN结各区内产生的光生结各区内产生的光生载流子，载流子，PN结需加适当结需加适当的反向偏压。的反向偏压。32/132一、晶体二极管的构造类型一、晶体二极管的构造类型二、晶体二极管的伏安特性二、晶体二极管的伏安特性三、晶体二极管的等效电阻三、晶体二极管的等效电阻四、光电二极管四、光电二极管五、发光二极管五、发光二

26、极管六、稳压二极管六、稳压二极管七、变容二极管七、变容二极管八、二极管的典型运用八、二极管的典型运用33/132一、晶体二极管的构造类型一、晶体二极管的构造类型在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按构造分二极管按构造分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于

27、高频整流和开关电路中。34/132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。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。由由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，结电流方程求出理想的伏安特性曲线，IU1.1.当加正向电压时当加正向电压时PN结电流方程为：结电流方程为：1)(TSUUeII2.2.当加反向电压时当加反向电压时TSUUeII I 随随U，呈指数规率，呈指数规率I - IsI根本不变根本不变二、晶体二极管的伏安特性二、晶体二极管的伏安特性35/132 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正向起始部分存在一个死区或门坎，一个死区或门坎，称为

28、门限电压。称为门限电压。 硅：硅：Ur=0.5Ur=0.50.6V; 0.6V; 锗：锗：Ur=0.1Ur=0.10.2V0.2V。加反向电压时，反加反向电压时，反向电流很小向电流很小 即即IsIs硅硅(nA)Is(nA)Is锗锗( (A) A) 硅管比锗管稳定。硅管比锗管稳定。当反压增大当反压增大VBRVBR时时再添加，反向激增，再添加，反向激增，发生反向击穿，发生反向击穿，VBRVBR称为反向击穿称为反向击穿电压。电压。实测伏安特性实测伏安特性二、晶体二极管的伏安特性续二、晶体二极管的伏安特性续资料资料 门限电压门限电压 导通电压导通电压 Is/ A硅硅 0.50.6V 0.7V 0时时u

29、2 0时，二极管瞬间导通，时，二极管瞬间导通，C快速充电，快速充电， 电容两端电压电容两端电压uc=V1，充电终了后输出，充电终了后输出uo=0. 当输入当输入ui0.7V时，二极管导通，导通后，时，二极管导通，导通后，UD=0.7V锗管：当锗管：当UD0.3V时，二极管导通，导通后，时，二极管导通，导通后，UD=0.3V 稳压管是一种运用很广的特殊类型的二极管，任务区在稳压管是一种运用很广的特殊类型的二极管，任务区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。运用时留意加限反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。运用时留意加限流电阻。流电阻。 晶体二极管根本用途是整流稳压和限幅等。晶体二极管根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