第1章半导体二极管及其应用PPT课件

1、1.1 PN结 一、半导体定义特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等1.1.1 本征半导体1.1.2 杂质半导体第1页/共47页1.1.1 本征(intrinsic)半导体 纯净无掺杂的半导体。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”。 (1) 共价键结构(2) 电子空穴对 (3) 空穴的移动第2页/共47页 (1）共价键结构空间排列有序的晶体 以 硅原子(Si)为例： (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图第3页/共47页 电子空穴对：载流子（Carrier) 本征激发和复合在一定温度

2、下会达到动态平衡! 图01.02 本征激发和复合的过程 （2）电子空穴对 本征激发（热激发） T=0 K时电子(- )空穴(+)复合第4页/共47页 (3) 空穴的移动(导电）空穴的运动 = 相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴来实现的第5页/共47页1.1.2 杂质半导体本征半导体缺点？1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！(1) N型半导体(2) P型半导体(3) 杂质对半导体导电性的影响第6页/共47页 (1）N型半导体（电子型半导体）掺掺 杂杂：特特 点点：多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供）少数载流子：空穴（ 由热激发形成）施主杂质正离子少量掺入五价杂质

3、元素（如：磷）第7页/共47页 (2）P型半导体（空穴型半导体）掺掺 杂杂：少量掺入三价杂质（如硼、镓和铟等）特特 点点：多子：空穴（主要由杂质原子提供）少子：电子（ 由热激发形成）受主杂质负离子第8页/共47页(3) 杂质对半导体 导电性的影响 影响很大。载流子数目剧增 T=300 K室温下,本征硅的 电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后 N 型半导体中的 自由电子浓度: n=51016/cm3第二节典型数据如下:第9页/共47页1.2 PN结结1.2.1 形成1.2.

4、2 实质1.2.4 电容效应1.2.3 单向导电性第10页/共47页图01.06 PN结的形成过程 形成两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结两种运动：扩散（浓度差）漂移（电场力）第11页/共47页漂移和扩散 1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移 如图（A）所示。 2、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所示。电流I。.空穴 。电子（A）电场作用下的漂移运动（B）空穴扩散示意第12页/共47页PN结形成 P N+-+由于接触面载流子运动形成PN结示意图内电场- +扩散运动漂移运动PN结变窄P N+ - R 外加正向电压示意(导电）PN结变宽P N- + R 外加反向电压示

5、意（截止）正向电流If反向电流IsPN结加正向电压时电阻很小，电流大。加反向电压时电阻很大，电流小。第13页/共47页PN结的形成小结：浓度差 多子扩散空间电荷区(杂质离子) ) 内电场 促使少子漂移 阻止多子扩散 当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结第14页/共47页 实质PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻 单向导电性单向导电性 单向导电性： PN结正偏时导通（大电流）， PN结反偏时截止（小电流）。偏置(bias)(bias)第15页/共47页 (1) 势垒电容CB（Barrier) 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成1.2.4 电容效应 表现为： 势垒电容CB（barri

6、er) 扩散电容CD (diffusion) 第16页/共47页 图 01.10 扩散电容示意图第三节(2) 扩散电容CD(Diffusion)当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。第17页/共47页1.2 半导体二极管结构类型和符号伏安特性1.3.3 主要参数型号命名规则第18页/共47页1.3.1 结构类型和符号二极管 = PN结 + 引线 + 管壳。 类型：点接触型、面接触型和平面型(1) 点接触型(a)点接触型 一、结构类型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频

7、等高频电路第19页/共47页(c)平面型(3) 平面型(2) 面接触型(b)面接触型二、符号旧符号新符号阳极(Anode)阴极(Cathode)标记D1D2DiodePN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。第20页/共47页1.3.2 伏安特性IS :反向饱和电流VT =kT/q :温度的电压当量室温（T=300 K）下，VT=26 mV一、二极管方程（定量）) 1(eTSVVII理想二极管(PN结）方程：图 理想二极管的伏安特性曲线定性 单向导电性第21页/共47页1.3.3 主要参数 (1) IF最大整流电流(2) V

8、BR反向击穿电压指二极管反向加电压时，使反向电流突然增大时的电压。不同的二极管有不同的反向击穿电压。一般手册中给出的反向电压是实际的一半。指正常功率下的正向平均电流；根据二极管功率不同，由几mA到几百安培不等 (3) IR（IS） 反向饱和电流指二极管反向加电压时，在没有击穿前的电流。愈小愈好。一般几纳安到几微安。硅 (nA)级；锗 (A)级第22页/共47页(5) rd 动态电阻 rd =VF /IF 二极管正向特性曲线斜率的倒数(4)极间电容C： 正向扩散电容CD：由于PN结正向导电是通过电子和空穴扩散的结果。而扩散必须有载流子的浓度积累，这就产生了扩散电容。 反向势垒电容CB：二极管反向

9、PN结形成电荷势垒。 相当于二块平行板电容。反向电压愈高电容愈小近似计算公式如下：D;DBDQdQCCdUU第23页/共47页1.3.4 型号命名规则国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：第24页/共47页部分国产半导体高频二极管参数表最高反向工作电压（峰值）V反向击穿电压 V正向电流 mA反向电流A最高工作频率MHZ极间电容 Pf最大整流电流mA2AP120402.52501501162ck71001505.02503000.120部分国产半导体整流二极管参数表最大整流 电流 A最高反向工作电压（峰值）V最高工作电压下的反向电流（125度） A正向压降（平均值） V最高工作频率 MHZ2C

10、Z52A 0.12510000.832CZ54D0.5140010000.832CZ57F5300010000.83第25页/共47页1.4 二极管基本电路及其分析方法二极管经常应用于以下场合：（1）整流。（2）限幅。（3）逻辑（二极管逻辑）。可以参考节的内容第26页/共47页二极管是一种非线性器件，需应用线性化模型分析法对其应用电路进行分析。第27页/共47页二极管正向伏安特性的建模二极管正向伏安特性的建模1.理想模型第28页/共47页2.恒压降模型这个模型如图XX_01所示，其基本思想是当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为。不过这只有当二极管的电流iD近似等于或大

11、于1mA时才是正确的。该模型提供了合理的近似，因此应用也较广第29页/共47页3.折线模型为了较真实地描述二极管V-I特性，在恒压降模型的基础上，作一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。这个电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为。至于rD的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为1mA时，管压降为，于是rD的值可计算如下第30页/共47页4.小信号模型 第31页/共47页二极管小信号模型如图XX_01所示。如果二极管在它的V-I特性的某一小范围工作，例如在静态工作点Q（即V-I特性上的一个点

12、，此时vD=VD，iD=ID）附近工作，则可把V-I特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。参看图XX_01a，微变电阻rd可直接从V-I特性上求得。通过Q点作一条V-I特性的切线，并形成一直角三角形，从而得到DvD和DiD，则rd=DvD/DiDrd的数值还可从二极管的V-I特性表达式导出。第32页/共47页取iD对vD的微分，可得微变电导(当T=300K时) 由此可得 第33页/共47页模型分析法应用举例模型分析法应用举例1.二极管电路的静态工作情况分析例1 设简单二极管基本电路如a所示，R=10kW，图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的

13、值：（1）VDD=10V；（2）VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。第34页/共47页解：图a的电路中，虚线左边为线性部分，右边为非线性部分。符号“”为参考电位点，或叫“地”，即电路的共同端点。电路中任一点的电位，都是对此共同端而言的，这在第1章中已介绍过。为了简单起见，图a所示的电路常采用图b所示的习惯画法，今后经常用到。现按题意，分别求解如下：第35页/共47页（1）VDD=10V 使用理想模型得VD=0V，ID=VDD/R=10V/10kW=1mA 使用恒压降模型得：VD， (2) VDD=1V 使用理想模型得：VD=0V， ID= VDD 使用恒压降模型

14、得：VD， ID= （VDD） 使用折线模型得 ID，VD第36页/共47页2.二极管电路的限幅电路第37页/共47页3.二极管开关电路一二极管开关电路如图LT_01所示。当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值。设二极管是理想的。第38页/共47页1.5 特殊二极管、稳压二极管 应用在反向击穿区（雪崩击穿和齐纳击穿）（一）符号、伏安特性 和典型应用电路(a)(a)符号第39页/共47页1、 利用PN结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。I（mA)正向电流IfU（V）正向反向击穿电压UZ正向导通电压UD0击穿电流IRPN结V-A特性 曲线IU+UZ电

15、路符号第40页/共47页(c)应用电路(b)(b) 伏安特性第41页/共47页n1）、稳定电压UZ：稳压管击穿后电流变化很大。而电压基本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。n2）、动态电阻rzn3）、最大稳定电流 IZM，由最大耗散功率和稳定电压决定。n4）、最大耗散功率 PZM，工作时的功率PZ=IZUZn5）、温度系数；衡量由于温度变化而使稳定电压UZ变化的参数。 一般UZ大于6伏的为正温度系数。小于6伏为负温度系数（二）主要参数第42页/共47页 半导体PN结共价键中的电子在光子的轰击下。很容易脱离共价键而成为自由电子。因此可以用PN结构成光敏二极管。光敏二极管的反向电流与光照度成正比。用感光灵敏度来衡量。典型值为：A/LxUOR+-10 -8 -6 -4 -2 0Ip/A-50200Lx400LX光照伏安特性、光电子器件1、光电二极管第43页/共47页1、材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于电子空穴的复合产生发光能量。是一种电变成光的能量转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。单个发光二极管七段显示发光二极管2、发光二极管（LED）第44页/共47页2、发光二极管的主