中职机械授课件半导体二极管基础知识培训(同名552)

1、半导体二极管基础知识培训1 半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的伏安特性及电容效应1. 本征半导体1. 什么是半导体？什么是本征半导体？ 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。稳定的结构 晶格

2、：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。 晶体结构即晶体的微观结构，是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况。自然界存在的固态物质可分为晶体和非晶体两大类，固态的金属与合金大都是晶体。晶体与非晶体的最本质差别在于组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的（长程序），而非晶体中这些质点除与其最近邻外，基本上无规则地堆积在一起（短程序）。金属及合金在大多数情况下都以结晶状态使用。晶体结构是决定固态金属的物理、化学和力学性能的基本因素之一。 半导体五大特性掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。 电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种材料制成的长1米、横截

3、面积是1平方毫米的导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。 掺杂性：在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。 热敏性：半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因。 光敏性：在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。可制作成光敏器件，如光电池。 负电阻率温度特性：温度升高时电阻率则减小。 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。共价键由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由

4、电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴2、本征半导体的结构 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。3、本征半导体中的两种载流子 电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流（负电）。 空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴

5、也产生定向移动），形成空穴电流（正电）。 本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。 导体的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。二、杂质半导体 本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，不宜直接用它制造半导体器件。本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。 掺入杂质的本征半导体叫做杂质半导体。 1. N型半导体多数载流子磷（P） N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置形成N型半导

6、体。 多子：N型半导体中，自由电子为多数载流子简称多子。 少子：N型半导体中，空穴为少数载流子简称少子。 N型半导体主要靠自由电子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。 1. P型半导体 P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体 。 多子： P型半导体中，空穴为多数载流子。 少子： P型半导体中，自由电子为少数载流子。 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，多数载流子硼（B）三、PN结的形成及其单

7、向导电性 P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。过程如下：P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。PN 结的形成 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，因为刚刚扩散过来就会立刻与异性复合，从而少子唱主角。此运动不断发生着， P区一侧出现负离子区，N区出现正离子区，它们基本上是固定的，称为空间电荷区。空间电荷区具有一定的宽度，有电位差，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。使空穴从N区向P区、自由电子

8、从P区向N 区运动。空间电荷区又叫耗尽层或阻挡层。漂移运动 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。PN 结的单向导电性PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN结正偏动画演示P区N区PN结反偏动画演示P区N区四、PN 结的伏安特性正向特性：u0的部分称为正向特性。反向特性：ut0，二极管上的正向电压突然变成反向电压， IF迅速下降，在t=t1时刻，I

9、F=0。 ts 内二极管上流过反向电流IR，但电流并不立刻成为I rr ,而是逐渐增大；在t=t2时刻达到最大反向恢复电流IRM值tf 时间, 反向电流逐渐变小,并在t=t3时刻达到规定值Irr , ts 称为储存时间, tf 称为下降时间。trr= ts+ tf 称为反向恢复时间, 以上过程称为反向恢复过程。从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处。ts（t1t2）tf （t3t4）原理 这实际上是由电荷存储效应引起的, 反向恢复时间就是存储电荷耗尽所需要的时间。该过程使二极管不能在快速连续脉冲下当做开关使用。如果反向脉冲的持续时间比trr 短, 则二极管在正、反向都可导通, 起

10、不到开关作用。因此了解二极管反向恢复时间对正确选取管子和合理设计电路至关重要。与普通二极管反向恢复电流对比测量反向恢复时间 连接测试电路，使用脉冲发生器发出方波信号，利用电子示波器观察到的trr值，即是从I=0的时刻到IR=Irr时刻所经历的时间。（如右图），设器件内部的反向恢电荷为Qrr，有关系式： trr2Qrr/IRM 由上式可知，当IRM为一定时，反向恢复电荷愈小，反向恢复时间就愈短。 5A以下的快恢复二极管则采用DO41、DO15或DO27等规格塑料封装。 5A-20A以下的快恢复及超快恢复二极管大多采用TO-220封装形式。 几十安的快恢复二极管一般采用TO-3P金属壳封装。更大容

11、量（几百安几千安）的管子则采用螺栓型或平板型封装形式。 从内部结构看，可分成单管、对管（亦称双管）两种。对管内部包含两只快恢复二极管，根据两只二极管接法的不同，又有共阴对管、共阳对管之分。注意事项1）有些单管，共三个引脚，中间的为空脚，一般在出厂时剪掉，但也有不剪的。2）若对管中有一只管子损坏，则可作为单管使用。封装 桥堆是由两个或四个整流二极管组成，测试时只需要作为几个二极管分别测试即可，测试方法与普通二极管相同。桥堆或高压硅堆的测试 高压硅堆内部是由多只高压整流二极管（硅粒）串联组成，检测时，可用万用表的R10k档测量其正、反向电阻值。正常的高压硅堆，其正向电阻值大于200k，反向电阻值为

12、无穷大。若测得其正、反向均有一定电阻值，则说明该高压硅堆已软击穿损坏。与肖特基二极管比较参数肖特基二极管快恢复二极管超快恢复二极管反向恢复时间几纳秒数百纳秒几十纳秒正向导通压降0.3-0.6V0.8-1.1V0.8-1.1V反向耐压40V-50V几百伏1200V反向漏电流大小小 SBD的内部结构与普通PN结二极管不同，是利用金属与半导体接触形成的金属半导体结原理制作的。 SBD的结构及特点使其适合于在低压、大电流输出场合用作高频整流，在非常高的频率下用于检波和混频，在高速逻辑电路中用作箝位。其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信

13、号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。 肖特基二极管是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD）的简称。是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的。 肖特基二极管是一种低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。3.肖特基二极管（SBD） 典型的肖特基整流管的内部电路结构是以N型半导体为基片，在上面形成用砷作掺杂剂的N-外延层。阳极使用钼或铝等材料制成阻档层。用二氧化硅（SiO2）来消除边缘区域的电场，提高管子的耐压值。N

14、型基片具有很小的通态电阻，其掺杂浓度较H-层要高100%倍。在基片下边形成N+阴极层，其作用是减小阴极的接触电阻。通过调整结构参数，N型基片和阳极金属之间便形成肖特基势垒， 当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极，N型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，其内阻变大。结构工作原理 肖特基二极管以贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负极，因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然，金属A中没有空穴，也就不存在空穴自A向B的扩散运

15、动。 随着电子不断从B扩散到A，B表面电子浓度逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为BA。但在该电场作用之下，A中的电子也会产生从AB的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。优点 肖特基二极体最大的缺点是其反向偏压较低及反向漏电流偏大，像使用硅及金属为材料的肖特基二极体，其反向偏压额定耐压最高只到 50V，而反向漏电流值为正温度特性，容易随着温度升高而急遽变大，实务设计上需注意其热失控的隐忧。 SBD具有开关频率高和正向压降低等优点，但其反向击穿电压比

16、较低，大多不高于60V，最高仅约100V，以致于限制了其应用范围。像在开关电源和功率因数校正（PFC）电路中功率开关器件的续流二极管、变压器次级用100V以上的高频整流二极管、以及PFC升压用600V二极管等，只有使用快速恢复外延二极管（FRED）和超快速恢复二极管（UFRD）。目前UFRD的反向恢复时间Trr也在20ns以上，根本不能满足像空间站等领域用1MHz3MHz的需要。缺点发光二极管（英语：Light-Emitting Diode，简称LED） 是一种能发光的半导体电子元件。与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，

17、当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示，也用作照明。4.发光二极管（LED） 发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片-PN结。在某些半导体材料的PN结中，当电流流过时，电子与空穴在其内复合，会把多余的能量以光的形式释放出来，这叫电致发光效应，从而把电能直接转换为光能。发光原理 PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化

18、硅二极管发黄光。 发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算： R=（EUF）/IF式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流限流电阻 发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。分类正负极区分长脚为正短脚为负七段数码显示管 英文名：Freewheeling diode （简称：FWD），由于在电路中起到续流的作用而得名，它反向并联在电感线圈、继电器、可控硅等储能元件两

19、端，在电路中电压或电流出现突变时，对电路中其它元件起保护作用。一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管来作为“续流二极管”。5.续流二极管（FWD） 以电感线圈为例，当线圈中有电流通过时，其两端会有感应电动势产生。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的元件产生反向电压。当反向电压高于元件的反向击穿电压时，会把元件如三极管等烧坏。如果在线圈两端反向并联一个二极管(有时候会串接一个电阻)，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势就会通过二极管和线圈构成的回路消耗掉，从而保证电路中的其它元件的安全。作用 右图给出了续流二极管的典型应用电路，其中电阻R视情况决定是否需要。储能元件在VT导通时，电压为上正下负，电流方向从上向下。当VT关断时，储能元件中的电流突然中断，此时会产生感应电动势，其方向是力图保持电流不变，即总想保持储能元件电流方向从上向下。这个感应电势与电源电压叠加后加在VT两端，容易使VT击穿，为此可以加上VD，这样就可以将储能元件产生的