3.2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 晶体二极管及应用晶体二极管及应用第第3 3章章 晶体三极管及应用晶体三极管及应用第第4 4章章 场效应管及基本放大电路场效应管及基本放大电路第第5 5章章 放大电路的频率响应放大电路的频率响应第第6 6章章 负反馈放大电路负反馈放大电路第第7 7章章 双极型模拟集成电路的分析与应用双极型模拟集成电路的分析与应用第第8 8章章 集成运算放大器的分析与应用集成运算放大器的分析与应用第第1010章章 直流稳压源电路直流稳压源电路2/132问题：问题：1.为什么用半导体材料制作电子器件？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

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应用第二章晶体二极管及应用3/132第二章晶体二极管及应用第二章晶体二极管及应用2.1 2.1 半导体基础知识半导体基础知识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。导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷导电能力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则导电率增加几百倍掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增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增加还可以产生电动势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照特性

4、光敏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净、结构完整的半导体晶体。完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：纯度：99.9999999%99.9999999%，“九个九个9 9它在物理它在物理结构上呈单晶体形态。结构上呈单晶体形态。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，质点的排列有一定的规律。在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅锗的原子硅锗的原子结构简化模型结构简化模型价电子价电子正离子正离子注意：为了方便，注意：为了方便，原子结构常用二维原子结构常用二维结构描述，实际上结构描述，实际上是三维结构。是三维结构。7/132锗晶体的共价键结构示意图锗

5、晶体的共价键结构示意图 半导体能带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价带中留下的空位称为空穴导带导带自由电子定向移动自由电子定向移动形成电子流形成电子流 本征半导体的原子结构和共价键本征半导体的原子结构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移动形成空穴流定向移动形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由电子称为自由电子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 自由电子和空穴自由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

6、，产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由电子作定向运动形成的自由电子作定向运动形成的方向与外电场方向相反方向与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动自由电子始终在导带内运动空穴流空穴流价电子递补空穴形成的价电子递补空穴形成的方向与外电场方向相同方向与外电场方向相同始终在价带内运动始终在价带内运动3. 注意：本征半导体在热力学零度注意：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，晶体内无自由电子，不导电。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。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

7、体的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由电子数表示单位体积内的自由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 与材料有关的常数与材料有关的常数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

8、产生的电子空穴的浓度。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。当达到动态平衡时当达到动态平衡时 g=R R = r nipi 其中其中r复合系数，与材料有关。复合系数，与材料有关。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，形成等，形成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，形成形成N型半导体，也称电子型半

9、导体。型半导体，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由电子是多子即多数载流子）自由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形成由热激发形成由于五价元素很容易贡献电由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子。带正电荷成为正离子。13/132自由电子是多子即多数载流子）自由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

10、本征半导体相比，N型半导体中空穴多了？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，若每，若每104个锗原子中掺入个锗原子中掺入1个磷原子掺个磷原子掺杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了10-44.41022=4.41018/cm3个磷原子。个磷原子。 则施主杂质浓度为：则施主杂质浓度为： 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：尽管杂质含量很少如万分之

11、一），但提供的载流子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。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），故使导电能力激增能力激增 。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由电子是少子自由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形成由热激发形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

12、成为负电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质离子。三价杂质 因而也因而也称为受主杂质。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p）P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） 说明：因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数说明：因掺杂的浓度很小，可近似认为复

13、合系数R保持不保持不变。在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数。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，但两者乘积保持不变。得多，但两者乘积保持不变。其中：其中：ni 表示本征材料中电子的浓度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。表示本征材料中空穴的浓度。n p = ni pi = ni2=C18/13219/132P区区N区区扩散运动扩散运动载流子从浓度大向浓度

14、小载流子从浓度大向浓度小的区域扩散的区域扩散,称扩散运动称扩散运动形成的电流成为扩散电流形成的电流成为扩散电流内电场内电场内电场阻碍多子向对方的扩散内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动即阻碍扩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扩散运动扩散运动=漂移运动时漂移运动时达到动态平衡达到动态平衡耗尽层耗尽层PN结结P区区N区区空穴空穴自由电子自由电子负电荷负电荷正电荷正电荷20/132内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 浓度差浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场内

15、电场促使少子漂移内电场促使少子漂移扩散运动扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散多子从浓度大向浓度小的区域扩散, 称扩散运动。称扩散运动。扩散运动产生扩散电流。扩散运动产生扩散电流。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。动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 = = 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

16、，从而形成接触电位，从而形成接触电位U 。接触电位接触电位U U决定于材料及掺杂浓度决定于材料及掺杂浓度硅：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，削弱结内电场方向相反，削弱了内电场。了内电场。 于是内电场对多子扩于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。电流加大。 扩散电流远大于漂移扩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

17、电位高于区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，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相同，增强内电场。方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。用下形成的漂移电流加大。 此时此时PNPN结区少子漂结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽移电流大于扩散电流

18、，可忽略扩散电流。略扩散电流。P区的电位低于区的电位低于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，近似为截止状态。近似为截止状态。24/132结论是：结论是：PN结具有单向导结具有单向导电性。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，具有较大的正向扩散电流；扩散电流； 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

19、端的电压与结两端的电压与流过流过PN结电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达到某一数值时，反向电结上所加的反向电压达到某

20、一数值时，反向电流激增的现象。流激增的现象。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。形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。成连锁反应，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，形成大量载流子子拉出来，形成大量载流子, ,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

21、可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生。大的二极管容易发生。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结耗散功率超过极限值，使结温结耗散功率超过极限值，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相同。耗尽层宽窄变化所多或减少，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。等效的电容为势垒电容。29/132 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的

22、另一侧面积累而结的另一侧面积累而形成的。因形成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区的电子，与外电区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就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堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。分布曲线。注意：势垒电容和扩散电注意：势垒电容和扩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。 扩散电容扩散电容CD 外加电压

23、不同情况下，外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累变化，扩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相同，这种电容等效为扩程相同，这种电容等效为扩散电容。散电容。30/132 PN结的电致发光结的电致发光 如果在如果在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扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，注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

24、子的吸收速率，从而在半导体内产生光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。增益。EDPN31/132 PN结的光电效应结的光电效应 PN结用导线连接成回路时，载流子面临结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻结势垒的阻挡，在回路中不产生电流。当有光照射挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光结材料上时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，则在子能量大于半导体的禁带宽度，则在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建场空穴对，耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向的作用下电子迅速移向N区，空穴

25、移向区，空穴移向P区，在回路内形成光区，在回路内形成光电流，而电流，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。的扩散运动，多数因复合而消失，对光电流基本没有贡献。DEDDRLUDIP注意：为了充分利用在注意：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、晶体二极管的结构类型一、晶体二极管的结构类型二、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

26、电二极管五、发光二极管五、发光二极管六、稳压二极管六、稳压二极管七、变容二极管七、变容二极管八、二极管的典型应用八、二极管的典型应用33/132一、晶体二极管的结构类型一、晶体二极管的结构类型在在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。二极管按结构分二极管按结构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

27、，用于高频整流和开关电路中。用于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基本不变基本不变二、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

28、死区或门坎，一个死区或门坎，称为门限电压。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时时再增加，反向激增，再增加，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

29、 0.50.6V 0.7V 0时时u2 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，充电结束后输出，充电结束后输出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 稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在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。流电阻。 晶体二极管基本用途是整流稳压和限幅等。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，可实现光半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电、电、