半导体二极管教学课件.ppt

1、第一章第一章 半导体二极管半导体二极管1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都

2、被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。一.本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚

3、，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。外加能量越高外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常

4、温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104.1锗：锗：313cm105.2自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正

5、电的带正电的空穴空穴 2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni=pi。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升

6、高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。小结小结二二.杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1.N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂

7、质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2.P型半导体型半导体模拟电子技术绪论.ppt杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关+N型硅表示型硅表示P型硅表示型硅表示小结：小结：1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决掺入杂质的

8、浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PN

9、PN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三.PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1.PN结的形成结的形成 少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡：扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V2.PN结的单向导电性结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）加正

10、向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F(forward current)+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流(2)加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形

11、成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R(reverse current)+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大小无关加反压的大小无关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温度有关。与温度有关。PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高

12、电阻，PN结截止。结截止。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。3.PN结结的伏安特性曲线及表达式的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆)1(eTSUuIi 根据理论分析：根据理论分析：u 为为PN结两端的电压降结两端的电压降i 为流过为流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流为反向饱和电流UT=kT/q 称为

13、温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子电荷量为电子电荷量1.6109T 为热力学温度为热力学温度 对于室温（相当对于室温（相当T=300 K）则有则有UT=26 mV。当当 u0 uUT时时1eTUuTeSUuIi 当当 u|U T|时时1eTUuSIi五、五、PN结的电容效应结的电容效应当当PN上的电压发生变化时，上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量结中储存的电荷量将随之发生变化，使将随之发生变化，使PN结具有电容效应。结具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1.势垒电容势垒电容Cb

14、是由是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。(a)PN 结加正向电压结加正向电压（b)PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+UV空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示：lSUQC ddb由于由于 PN 结结 宽度宽度 l 随外加随外加电压电压 u 而变化，因此而变化，因此势垒电容势垒电容 Cb不是一个常数不是一个常数。其。其 Cb=f(U)曲线如图示。曲线如图示。：半导体材料的介

15、电比系数；：半导体材料的介电比系数；S：结面积；：结面积；l：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。OuCb图图 1.1.11（b)2.扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，在某个正向电压下，P 区中的电子浓度区中的电子浓度 np(或或 N 区的空穴浓度区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所示。所示。x=0 处为处为 P 与与 耗耗尽层的交界处尽层的交界处当电压加大，当电压加大，np(或或 pn)会升高，会升高，如曲线如曲线 2 所示所示(反之浓度会降低反之浓度会降低)。OxnPQ12 Q当加反

16、向电压时，扩散运动被削弱，当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。扩散电容的作用可忽略。Q正向电压变化时，变化载流子积累正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程放电的过程 扩散电容效应。扩散电容效应。图图 1.1.12PNPN 结结综上所述：综上所述：PN 结总的结电容结总的结电容 Cj 包括势垒电容包括势垒电容 Cb 和扩散电容和扩散电容 Cd 两部分两部分。Cb 和和 Cd 值都很小，通常为几个皮法值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。有些结面积大的二极管可达几百皮法

17、。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为作用，即可以认为 Cj Cd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。1.2 半导体二极管半导体二极管在在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。二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型图图1.2.11.2.1二极管的几种二极管的几种外形外形半导体二极管半导体二极管 二极管二

18、极管=PN结结+管壳管壳+引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-二极管按结构分三大类：二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管点接触型二极管 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。N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝(3)平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 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。SiO2正 极

19、引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge，C为为N型型Si，D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性

20、曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的伏安伏安特性特性+iDvD-R正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性开启电压：开启电压：0.5V导通电压：导通电压：0.7)1e(STUuIi一、伏安特性一、伏安特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的伏安伏安特性特性UonU(BR

21、)开启电压：开启电压：0.1V导通电压：导通电压：0.2V二、温度对二极管伏安特性的影响二、温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感，二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。具有负温度系数。50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.020温度增加温度增加半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片二二.二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算例：例：IR10VE1k)1(eTSUuIiD非线性器件非线性器件iu0iuRLC线性器件线性器

22、件Riu 二极管的模型二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型串联电压源模型DUu DUu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。理想二极管模型理想二极管模型ui正偏正偏反偏反偏-+iu导通压降导通压降二极管的二极管的VA特性特性-+iuiu0二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：例：串联电压源模型串联电压源模型mA3.9K1V)7.010(I测量值测量值 9.32mA相对误差相对误差00002.010032.99.332.9理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1kmA10K1V10I相对误差相

23、对误差0000710032.932.9100.7V例：例：二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。(1)若若 ui为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo+-+UIuREFRiuO解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2

24、.7V0.7VV2DREFoUUu（2）如果）如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。型分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：解：采用理想二极管采用理想二极管模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用理想二极管串联采用理想二极管串联电压源模型分析，波形电压源模型分析，波形如图所示。如图所示。+-+UIuREF

25、RiuO二极管：死区电压二极管：死区电压=0.5V，正向压降，正向压降 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，正向压降，正向压降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流电路如图所示，已知电路如图所示，已知u ui i5sin5sintt(V)(V)，二极管，二极管导通电压导通电压U UD D0.7V0.7V。试画出。试画出u ui i与与u uO O的波形，并标的波形，并标出幅值。出幅值。二极管基本应用Va、Vb有一个是低电平（0V）：VO为低电平Va、Vb为高电平（5V）：VO为高电平所以所以 F=AB开关电路：RD1D2VoVaVbVa

26、(A)Vb(B)VO(F)D1D25V三三.二极管的主要参数二极管的主要参数(1)最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。(2)反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。(3)反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极级；锗二极管在微安

27、管在微安(A)级。级。当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态下反向击穿状态下,工作工作电流电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时之间变化时,其两端电其两端电压近似为常数压近似为常数稳定稳定电压电压四、稳压二极管四、稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管+-DZiuUZIUIzminIzmax正向同正向同二极管二极管反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿UZ限流电阻限流电阻 稳压二极管的主要稳压二极管的主要 参数参数(1)稳定电压稳定电压UZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ

28、下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。rZ=U/I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)(3)最小稳定工作最小稳定工作 电流电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。iuUZIUIzminIzmax例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izma

29、x=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k，输入电，输入电压压ui=12V，限流电阻，限流电阻R=200 。若。若负载电阻负载电阻变化范围变化范围为为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？，是否还能稳压？RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k ,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA

30、）RL=4 k ,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之间之间,所以稳所以稳压管仍能起稳压作用压管仍能起稳压作用例例2：稳压二极管的应用：稳压二极管的应用tu0I/V63tu0O1/V3tu0O2/V3解：解：ui和和uo的波形如图所示的波形如图所示（UZ3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ 例题例题 两个稳压管两个稳压管,稳定电压分别为稳定电压分别为5.5V5.5V和和8.5V,8.5V,正正向压降都是向压降都是0.5V,0.5V,如果得到如果得到0.5V,3V,6V,9V0.5V,3V,6V,9V和和14V14V应如应如何连接何连接?解解:本章讨论的问题：本章讨论的问题：2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？3.什么是什么是N型半导体？什么是型半导体？什么是P型半导体？型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在具有单向性？在PN结中另反向电压时真的没有电流吗？结中另反向电压时真的没有电流吗？1.为什么采用半导体材料制作电子器件？为什么采用半导体材料制作电子器件？