半导体基础知识-二极管.ppt

1、第一章,半导体基础知识 晶体二极管,1.1 半导体物理基础知识,按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。 目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。,1.1.1 本征半导体,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。,硅和锗都是晶体，相邻原子由价电子组成的共价键 联系在一起,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体,本征半导体的导电机理,1.载流子、自由电子和空穴,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半

2、导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。,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，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,空穴,自由电子,束缚电子,本 征 激 发,2.本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子 自由电子和空穴,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流 2. 空穴移动产生的电流,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度,热平衡载流子浓度值：

3、,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 一个重要的外部因素，这是半 导体的一大特点。,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质” 元素形成的半导体。分为N型半导体和P型半导体。,1. N型半导体,在本征Si和Ge中掺入微量 五价元素后形成的杂质半 导体称为N型半导体。,所掺入五价元素称为施主杂质，简称施主（能供给自由电子）。,2. P型半导体,在本征Si和Ge中掺入微量 三价元素后形成的杂质半 导体称为P型半导体。,3. 多子和少子,所掺入三价元素称为受主 杂质，简称受主（能供给 空穴）,P型半导体中，空穴为多子，自由

4、电子为少子。,N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。,1.1.2 两种导电机理漂移和扩散,1. 漂移电流,在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成 的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。,漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度 及外加电场的强度等因素决定。,2. 扩散电流,在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀 时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散 运动，从而形成扩散电流。,半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的 浓度差(即浓度梯度)。浓 度差越大，扩散电流越大， 而与该处的浓度值无关。,1.2 PN 结,通过掺杂工艺，把本征硅(或锗

5、)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。,P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。,1. 动态平衡下的PN结,空间电荷区的形成,内建电场：,空间电荷区的左侧带负电，右侧带正电，这样在空间电荷区内就形成一个电场，阻止多子的扩散，促进少子的漂移，最终达到动态平衡。,2. PN结的单向特性,正向特

6、性,使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压 或正向偏置（简称正偏）。,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,反向特性,P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,随温度的升高而增大，还与PN结面积 成正比的增大。,3. 伏安特性,为负值，且 时,即为反向饱和电流,PN结伏安特性曲线,结论： PN结具有单向导电性,PN结加正向电压时， 形成较大正向电流ID， 呈现电阻小，导通；,PN结加反向电压时， 形成的反向电流IS极 小，呈现电阻很大， 不导通（截止）；,PN结伏安特性曲线

7、,4. 温度特性,当温度升高时，PN结两边的热平衡少子浓度相应增加， 从而导致PN结的反向饱和电流IS增大。,实验结果表明： 温度每升高10，IS约增加一倍； VD(on)随温度升高而略有下降（温度每升高1，VD(on) 约减小2.5mV）。 当温度进一步增大，在极端情况下，本征激发占主要地位，杂质半导体变得与本征半导体类似，PN结就不存在了。 因此，PN结正常工作的最高温度： Si：150200、Ge：75100,温度对PN结伏安特性曲线的影响,5. 电容特性：,PN结除了电流随电压变化（伏安特性）的非线性电阻特性之外，还具有电荷量随电压变化的（伏库特性）非线性电容特性。 PN结的结等效电容

8、Cj分为：垫垒电容CT和扩散电容Cd,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,1.3 晶体二极管,晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的。,晶体二极管结构示意图,晶体二极管电路符号,1.3.1 二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型： 结

9、面积小，结电容小 故结允许的电流小 最高工作频率高,面接触型： 结面积大，结电容大 故结允许的电流大 最高工作频率低,平面型： 结面积可小、可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大,1.3.2 二极管的主要参数,最大整流电流IF ：二极管长期工作时允许通 过的最大正向平均电流。 最大反向工作电压UR：指二极管在使用时所允许加的 最大反向电压，一般取UR=1/2UBR。 反向电流IR ：指二极管未被击穿时的反向电流值，IR 越小，二极管的单向导电性越好。 最高工作频率fM：由PN结电容大小决定，信号频率若 超过fM，二极管的单向导电性就不能很好体现。,1、半导体二极管的主要参数,2、二极管的选择

10、, 要求导通电压低时选锗管，要求反向电流小时选硅管。 要求导通电流大时选平面型，要求反向工作频率高时选点接触型。 要求反向击穿电压高时选硅管； 要求耐高温时选硅管。,1.3.3 二极管的伏安特性及电流方程 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,1.3.3 二极管的等效电路 1. 将伏安特性折线化,理想 二极管,近似分析中最常用,理想开关 导通时 UD0截止时IS0,导通时UDUon 截止时IS0,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电

11、阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,2. 微变等效电路,1.4 稳压二极管及稳压电路 ,稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作 的二极管，主要用于稳压电路。,1. 稳压二极管的特性,其正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅 在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范 围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。,稳压二极管的伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,2. 稳压二极管的主要参数,稳定电压UZ,UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。,最小稳定电流 IZmin,保证二极管可靠击穿所允

12、许的最小反向电流，当 IZ IZmin时，稳压管不再稳压。,最大稳定电流 IZmax,保证稳压管安全工作所允许的最大反向电流，当 IZIZmax时，PN结将过热而导致烧毁。,3. 稳压二极管稳压电路,图中Ui为有波动的输入电压，并满足Ui UZ。 R为限流电阻，RL为负载。,当Ui，RL变化时，IZ应始终满足Izmin IZIZmax。设Ui的最 小值为Uimin，最大值为Uimax；RL最小时IL的最大值为UZ/RLmin, RL最大时IL的最小值为UZ / RLmax 。,限流电阻R的选择方法：,当Ui=Uimax, RL=RLmax时， IZ最大。应满足,当Ui =Uimin， RL = RLmin时， IZ最小。应满足,1.5 其它二极管,二极管种类繁多，除普通二极管和前面介绍的稳压二极管外，还有： 变容二极管：其增量电容值随外加反向电压而变化； 发光二极管：导通时可发光，截止时不发光； 光敏二极管：能将光能转换为电能； 其它：肖特基表面垫垒二极管、隧道二极管等。,讨论一 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。,判断二极管工作状态的方法？,讨论二,1. V2V、5V