半导体二极管及学习教案

1、会计学1半导体二极管及半导体二极管及第一页，共53页。第1页/共52页第二页，共53页。 本征半导体，空穴本征半导体，空穴(kn xu)(kn xu)及其导电作用及其导电作用一、本征半导体的结构一、本征半导体的结构(jigu)特点特点GeSi通过一定的工艺过程，可以通过一定的工艺过程，可以(ky)将半导体制成晶体。将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层现代电子学中，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。电子（价电子）都是四个。第2页/共52页第三页，共53页。本征半导体：完全纯净的、结构本征半导体：完全纯净的、结构(jigu)完整的半导完

2、整的半导体晶体。体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体在硅和锗晶体中，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点阵，每个原子都处在正四面体的中心(zhngxn)，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相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。临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：第3页/共52页第四页，共53页。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构(jigu)共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子第4页/共52页第五

3、页，共53页。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚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，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，所以因此本征半导体中的自由电子很少，所以(suy)本征半本征半导体的导电能力很弱。导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成八个，构成(guchng)稳定结构。稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子共价键有很强的结合力，使原子(yunz)规则排列，形成晶体。规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第5页/

4、共52页第六页，共53页。二、本征半导体的导电二、本征半导体的导电(dodin)(dodin)机理机理在绝对在绝对0 0度（度（T=0KT=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时, ,价电子完价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以(ky)(ky)运动运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0 0，相当于，相当于绝缘体。绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，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，成为自由电子得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时，同时(tngs

5、h)(tngsh)共价键上留下一个空位，称为空共价键上留下一个空位，称为空穴。穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴第6页/共52页第七页，共53页。+4+4+4+4自由电子自由电子(z yu din z)空穴空穴(kn xu)束缚电子束缚电子第7页/共52页第八页，共53页。2.本征半导体的导电本征半导体的导电(dodin)机理机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子(dinz)来填补，这样来填补，这样的结果相当于空穴的的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动相当于正电荷的移动，因此可以认为

6、空穴，因此可以认为空穴是载流子。是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子电子(z yu din z)和空穴。和空穴。第8页/共52页第九页，共53页。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的温度越高，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导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部的外部(wib)因素，这是半导体的一大特点。因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力本征半导体的导电能力(nngl)取决于载流子的浓度。取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中

7、电流由两部分组成： 1. 自由电子自由电子(z yu din z)移动产生的电流。移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。第9页/共52页第十页，共53页。第10页/共52页第十一页，共53页。第11页/共52页第十二页，共53页。第12页/共52页第十三页，共53页。第13页/共52页第十四页，共53页。第14页/共52页第十五页，共53页。第15页/共52页第十六页，共53页。第16页/共52页第十七页，共53页。第17页/共52页第十八页，共53页。第18页/共52页第十九页，共53页。+REPN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场

8、被削弱，多子内电场被削弱，多子(du z)的扩散加强能够的扩散加强能够形成较大的扩散电流。形成较大的扩散电流。第19页/共52页第二十页，共53页。第20页/共52页第二十一页，共53页。 PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE第21页/共52页第二十二页，共53页。第22页/共52页第二十三页，共53页。伏安特性(txng)曲线（2-4）对应(duyng)表:第23页/共52页第二十四

9、页，共53页。结的反向击穿结的反向击穿 二极管处于反向偏置时，在一定的电压二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。 击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。 齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电流急剧增加。电子空

10、穴对，致使电流急剧增加。 雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应(linsufnyng)。 对于硅材料的对于硅材料的PN结来说，击穿电压结来说，击穿电压7v时为雪崩击穿时为雪崩击穿，4v时为齐纳击穿。在时为齐纳击穿。在4v与与7v之间，两种击穿都有。之间，两种击穿都有。这种现象破坏了这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避结的单向导电性，我们在使用时要避免。

11、免。 *击穿并不意味着击穿并不意味着PN结烧坏。结烧坏。第24页/共52页第二十五页，共53页。第25页/共52页第二十六页，共53页。2.1.3 半导体二极管半导体二极管一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号二极管的电路符号：第26页/共52页第二十七页，共53页。 二、伏安二、伏安(f n)(f n)特特性性UI死区电压死区电压(diny) 硅硅管管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅管硅管0.60.7V,锗

12、管锗管0.2。反向反向(fn xin)击穿击穿电压电压UBR第27页/共52页第二十八页，共53页。三、主要参数三、主要参数1. 最大整流最大整流(zhngli)电流电流 IOM二极管长期使用二极管长期使用(shyng)时，允许流过二极管时，允许流过二极管的最大正向平均电流。的最大正向平均电流。2. 反向击穿反向击穿(j chun)电压电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压压UWRM一般是一般是

13、UBR的一半。的一半。第28页/共52页第二十九页，共53页。3. 反向反向(fn xin)电流电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流(dinli)。反向电流。反向电流(dinli)大，说明管子的单向大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流导电性差，因此反向电流(dinli)越小越好。反越小越好。反向电流向电流(dinli)受温度的影响，温度越高反向电受温度的影响，温度越高反向电流流(dinli)越大。硅管的反向电流越大。硅管的反向电流(dinli)较小，较小，锗管的反向电流锗管的反向电流(dinli)要比硅管大几十到几百要比硅管大几十到几百倍。

14、倍。以上以上(yshng)均是二极管的直流参数，二极管均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。第29页/共52页第三十页，共53页。4. 微变电阻微变电阻(dinz) rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二极管特性曲线是二极管特性曲线(qxin)上工作点上工作点Q 附近电压附近电压的变化与电流的变化之比：的变化与电流的变化之比：DDDiur显然显然(xinrn)，rD是对是对Q附近的附近的微小变化区域内的电阻。微小变化区域内的电阻

15、。第30页/共52页第三十一页，共53页。PN结的电流结的电流(dinli)方程方程PN结所加端电压结所加端电压U与流过它的电流与流过它的电流(dinli)I的关系为：的关系为：其中其中Is为反向为反向(fn xin)饱和电流，饱和电流，UT为为kt/q，k为玻耳为玻耳兹曼常数，兹曼常数，T为热力学温度，为热力学温度，q为电子的电量，常温下，为电子的电量，常温下，T300K时，时，UT可取可取26mv对于二极管其动态电阻为：对于二极管其动态电阻为：eueUtutUtuIsduIsddudididu1*)1(11第31页/共52页第三十二页，共53页。5. 二极管的极间电容二极管的极间电容二极管

16、的两极二极管的两极(lingj)(lingj)之间有电容，此电容由两部分组成之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容：势垒电容CBCB和扩散电容和扩散电容CDCD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起就会引起(ynq)积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。现出的电容是势垒电容。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入流），注入P P 区的少子（电子）在区的少子（电子）在P P 区区有浓度差，越靠近有浓度差，越靠近PNPN结

17、浓度越大，即在结浓度越大，即在P P 区有电子的积累。同理，在区有电子的积累。同理，在N N区有空区有空穴穴(kn xu)(kn xu)的积累。正向电流大，积的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容散电容CDCD。P+-N第32页/共52页第三十三页，共53页。CB在正向和反向在正向和反向(fn xin)偏置时均不能忽略。偏置时均不能忽略。而反向而反向(fn xin)偏置时，由于载流子数目很少偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。，扩散电容可忽略。PN结高频结高频(o pn)小信号时的等效小信号时的等效电路：电路：势垒电容和扩散势垒

18、电容和扩散电容的综合电容的综合(zngh)效应效应rd第33页/共52页第三十四页，共53页。二极管：死区电压二极管：死区电压=0 .5V，正向，正向(zhn xin)压降压降0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0 ，正向，正向(zhn xin)压降压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用二极管的应用(yngyng)举例举例1：二极管半波整流：二极管半波整流第34页/共52页第三十五页，共53页。图2-5第35页/共52页第三十六页，共53页。2-6第36页/共52页第三十七页，共53页。2-7第37页/共52页第三十八页，共53页。第38页/共52页

19、第三十九页，共53页。2-8第39页/共52页第四十页，共53页。2-8第40页/共52页第四十一页，共53页。2.5 特殊特殊(tsh)二极二极管管 稳压稳压(wn y)(wn y)二极二极管管UIIZIZmax UZ IZ稳稳压压(wn y)误误差差曲线越陡曲线越陡，电压越，电压越稳定。稳定。+-UZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。第41页/共52页第四十二页，共53页。动态电阻rz ：动态电阻的温度系数：第42页/共52页第四十三页，共53页。（4）稳定）稳定(wndng)电流电流IZ、最大、最小稳定、最大、最小稳定(wndng)电流电流Izm

20、ax、Izmin。（5）最大允许）最大允许(ynx)功耗功耗maxZZZMIUP稳压稳压(wn y)二极管的参数二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻ZZIUZr第43页/共52页第四十四页，共53页。稳压二极管的应用稳压二极管的应用(yngyng)举例举例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数稳压管的技术参数: :k10LR负载电阻负载电阻 。要求当输入电压要求当输入电压(diny)由正常值发生由正常值发生20%波动时，负载电压波动时，负载电压(diny)基本不变。基本不变。解：令输入电压解：令输入电压(diny)达到上限时，流过稳压管的电流达到上限时，流过稳压管的电流为为Izmax 。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1第44页/共52页第四十五页，共53页。令输入电压降到下限令输入电压降到下限(xixin)时，流过稳压管时，流过稳压管的电流为的电流为Izmin 。m