用微课学 - 模拟电子技术项目教程（第2版）课件-1.1 半导体器件二极管的特性

1.1半导体器件二极管的特性主讲教师：XXX2半导体器件二极管的特性0102030405明确任务：认识二极管的特性知识准备：PN结的形成与特性操作训练：二极管特性测试知识深化：二极管的类型归纳总结3任务描述：二极管由什么材料制作？二极管结构是怎样的？二极管特性有哪些？明确任务01半导体基础知识第一部分前言5

2.热敏特性：当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下降。热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。

半导体具有独特的性能

1.杂敏特性：在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。3.光敏特性：当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电。例如，用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。√1.1半导体的共价键结构6根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。硅原子结构图硅原子的原子序数为14，核外有14个电子。第一层有2个电子，第二层有8个电子，达到稳定态。最外层4个电子即为价电子，它对硅原子的导电性起着主导作用。1.1半导体的共价键结构7单个硅原子的空间排列：硅晶体的空间排列：本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。√1.2本征半导体8空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。自由电子——电子脱离了原来的共价键束缚而形成载流子——可以自由移动的带有电荷的物质微粒1.3杂质半导体9

在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。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。1.3杂质半导体10

1.P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，简称多子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，简称少子，由热激发形成。1.3杂质半导体112.N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。本节思维导图12半导体材料特性

杂敏特性、热敏特性和光敏特性。本征半导体

定义：化学成分纯净的半导体。

特点：导电能力弱，少量的自由电子空穴对。

载流子：可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如自由电子和空穴杂质半导体N型半导体掺杂5价元素；多子：自由电子少子：空穴P型半导体掺杂3价元素；多子：空穴少子：自由电子02PN结的形成与特性第二部分142.1PN结的形成过程P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。空间电荷区，也称耗尽层。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄，并阻碍扩散运动。最终，扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。152.1PN结的形成过程162.1PN结的形成过程17线上学习反馈（PN结形成部分）18PN结四大特性1.PN结具有单向导电性2.PN结的反向击穿特性3.PN结的电容特性4.PN结的温度特性怎么用？是什么？192.2PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

(1)PN结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况低电阻大的正向扩散电流PN结的伏安特性202.2PN结的单向导电性－－－－++++RE（1）PN结正向偏置内电场外电场PN+_－－－－++++212.2PN结的单向导电性_222.2PN结的单向导电性问题：PN结正偏时，P区的电位高还是N区电位高？请抢答，该电路中二极管是导通还是截止？232.2PN结的单向导电性PN结的伏安特性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

(2)PN结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况高电阻很小的反向漂移电流PN结的伏安特性242.2PN结的单向导电性－－－－++++内电场外电场NP+_RE－－－－++++

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个反向漂移电流也称为反向饱和电流。252.2PN结的单向导电性本节思维导图26

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

可利用PN结具有单向导电性作为电路开关。是什么？怎么用？电路仿真271）用Multisim中，创建如下电路：

2）

若LED的驱动电流是5mA，请计算R1电阻的取值范围是

。并选择合适的电阻值，使得二极管发光，并在下方粘贴截图：

3）利用仪表测量二极管上的电压为

和电流值为

。并在下方粘贴截图：

4）请把二极管反向连接，运行后是否还能发光？28PN结四大特性1.PN结具有单向导电性2.PN结的反向击穿特性3.PN结的电容特性4.PN结的温度特性怎么用？是什么？29PN结单向导电性的仿真1）用Multisim中，创建如下电路：

2）若发光二极管的驱动电流是5mA，请计算电阻R1的取值范围是

。并选择合适的电阻值，使得二极管发光，并在下方粘贴截图：

3）利用仪表测量二极管上的电压为

和电流值为

。并在下方粘贴截图：

4）把LED1反向连接，观察是否能发光？2.3PN结的反向击穿30当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆电击穿热击穿2.3PN结的反向击穿31雪崩击穿当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。这样，通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下获得的能量增大，在晶体中运动的电子和空穴将不断地与晶体原子又发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞可使共价键中的电子激发形成自由电子–空穴对。新产生的电子和空穴也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子–空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，这样，反向电流剧增，PN结就发生雪崩击穿。齐纳击穿在加有较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存一个强电场，它能够破坏共价键，将束缚电子分离出来产生电子–空穴对，形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为2×105V/cm，这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到。因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度（即杂质离子）也大，因而，即使空间电荷区很窄，电场强度也可能很高。2.3PN结的反向击穿32疑难问题：1.为什么反向击穿后二极管不一定会损坏？重点掌握问题：1.了解PN结反向击穿有两个过程，先是电击穿，再是热击穿。2.稳压管是利用PN结的反向击穿特性来制作的。是什么？怎么用？33PN结四大特性1.PN结具有单向导电性2.PN结的反向击穿特性3.PN结的电容特性4.PN结的温度特性怎么用？是什么？2.4PN结的电容效应34(1)扩散电容CD当PN结处于正向偏置时，当所加的正向电压升高时，PN结变窄，空间电荷区变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容放电。同理，当正向电压减小时，PN结变宽，空间电荷区变宽，结中空间电荷量增加，相当于电容充电。若外加正向电压有一增量

V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。扩散电容示意图2.4PN结的电容效应35

(2)势垒电容CB势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间电荷量增加，犹如电容的充电。当外加反向电压降低时，耗尽层变窄，空间电荷量减小，犹如电容的放电。思考：电容效应给二极管带来什么影响？2.4PN结的电容效应36

(3)PN结的等效结构PN结的正向特性PN结的等效结构

由于势垒电容和扩散电容，对于低频信号呈现出很大的容抗，其作用可忽略不计。但是当加在PN结上的交流电频率较高时，交流电就可以通过PN结的电容形成通路，PN结就部分或完全失去单向导电的特性。

(4)结电容的影响是什么？怎么用？37PN结四大特性1.PN结具有单向导电性2.PN结的反向击穿特性3.PN结的电容特性4.PN结的温度特性怎么用？是什么？2.5PN结的温度特性38二极管是对温度非常敏感的器件。随着温度变化，请分析正向导通压降、饱和电流、反向击穿电压如何变化？

实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/℃）；温度升高，反向饱和电流会急剧增大，反向伏安特性下移，温度每升高10℃，反向电流大约增加一倍。图所示为温度对二极管伏安特性的影响。图温度对二极管伏安特性的影响03半导体二极管的结构与特性第三部分3.1半导体二极管的结构40

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。

二极管的代表符号PNPN结3.1半导体二极管的结构41(1)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型

二极管的结构示意图(2)面接触型二极管

PN结面积大，用于低频大电流整流电路。(b)面接触型二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。3.1半导体二极管的结构42二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(3)平面型二极管(c)平面型(4)二极管的代表符号PN3.1半导体二极管的结构43几种常见的二极管外形如图所示。3.2二极管的伏安特性4444

在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，则I=f

(U

)之间的关系曲线为伏安特性。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性锗管的伏安特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020Is

3.2二极管的伏安特性45iDISPN结U-I特性曲线伏安特性方程:uD式中：uD

为二极管两端的电压降,iD

为二极管上流过的电流，IS

为反向饱和电流；

UT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=30