半导体二极管】.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、,PN,结及其单向导电性,1、半导体的导电特性,半导体二极管,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的,导电特点,。它的导电能力在不同条件下差别很大。,热敏性,：环境温度升高时，导电能力增强很多。可以用于温度控制。作,热敏元件,。,光敏性,：无光照时和绝缘体一样不导电，受光 照时,导电能力变强。作,光敏元件,。,湿敏性,：,根据湿度不同导电性能改变，可以用于仓,库的湿度控制、报警等。作,湿敏元件,。,1）导电能力随外界因素影响变化很大,利用这种特性，可以制造各种,不同用途的半导体。,2）导电能力的可控性,掺入微量有用杂质，其导电能力会发生,急剧变化。,可增加几十至几百万倍。,如：硅加入百万分之一的硼，其导电能力,增加五十万倍。,2、本征半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,Ge,Si,1）,本征半导体,的共价键结构,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成,晶体,。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为,本征半导体,。,硅和锗的共价键结构,共价键共,用电子对,+4,+4,+4,+4,+4表示除去价电子后的原子,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。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,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,，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,2）本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,束缚电子,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,。它们成双结对地出现，称为,电子空穴对,。,+4,+4,+4,+4,在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，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。,小结,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即,自由电子,和,空穴,。,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。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,（金属导体中只存在一种载流子，即,自由电子,）,3、杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为,N,型半导体,（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为,P,型半导体,（空穴半导体）。,N,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代。磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个不受共价键束缚的价电子,在室温下获得的热能很容易使它挣脱原子核的引力而成为自由电子。这样磷原子它失去一个价电子成为带一个电荷量的正离子，但不会产生空穴。与本征激发不同，正离子束缚在晶格中，不能象空穴那样起导电作用。,每个磷原子给出一个电子，称为,施主原子,。,+4,+4,+5,+4,N,型半导体,多余电子,磷原子,N,型半导体,N,型半导体中的载流子的组成：,1、由施主原子提供的电子，浓度与施,主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为,多数载流子,（,多子,），空穴称为,少数载流子,（,少子,）。,P,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为,受主原子,。,+4,+4,+3,+4,空穴,P,型半导体,硼原子,总 结,1,、,N,型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。,N,型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2,、,P,型半导体中空穴是多子，电子是少子。,3、多子的数量受杂质浓度影响；少子的数量,主要受外界环境温度影响。,杂质半导体的示意表示法,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,1）,PN,结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造,P,型半导体和,N,型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了,PN,结。,4、PN,结的形成及其单向导电性,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,空间电荷区,PN,结处载流子的运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，内电场得到加强,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,PN,结处载流子的运动,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,PN,结处载流子的运动,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区,N,型区,P,型区,PN,结,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍,多子,（,P,中的空穴、,N,中的电子）向对方,扩散,运动。,3、因为,少子,（,P,中的电子和,N,中的空穴），数量有限，因此由它们形成的,漂移,电流很小。,请注意,2）,PN,结的单向导电性,PN,结,加上正向电压,、,正向偏置,的意思都是：,P,区加正、,N,区加负电压。,PN,结,加上反向电压,、,反向偏置,的意思都是：,P,区加负、,N,区加正电压。,P,N,E,U,P,N,E,U,加正向偏压，导电（导通）,加反向偏压，不导电（截止）,当外加反向偏压后，外电场方向与内电场方向一致(即，外加电压正端接,N,区,负端接,P,区)，,PN,结单向导电性：,当外加正向偏压时，外电场方向与内电场方向相反即，外加电压正端接,P,区，负端接,N,区)，,这种只有一种方向导电的现象称为,PN,结的单向导电性。,载流子更难通过，因而不能导电。,则内电场得到加强，空间电荷区加宽，,则内建电场受到削弱，空间电荷区变窄，,载流子易于 通过，因而产生导电现象。,PN,结,面接触型,引线,外壳线,触丝线,基片,点接触型,二、半导体二极管,1、基本结构,半导体二极管内部就是一个,PN,结，将其封装并接出两个引出端，从,P,区引出的端称为阳极（正极），从,N,区引出的端称为阴极（负极）。,它的电路符号如图：,半导体二极管用符号,V,表示，（也常用,D,表示）,根据,PN,结的单向导电性，二极管只有当阳极电位高于阴极电位时，才能按箭头方向导通电流。,二极管极性接错，轻则电路无法正常工作，重则烧坏二极管及电路中其他元件。,为了防止使用时极性接错，管壳上标有“,”,符号或色点，符号箭头指示方向为正，色点则,表示该端为正极。或黑圈侧为负极。,阳极,阴极,D,P,N,D,i,D,u,D,伏安特性是二极管上所加电压和流过管子电流之间的关系。,u,D,i,D,0,正向导通,反向截止,击穿,0.5,锗,硅,0.2,1）正向特性,外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向电流几乎为零。这一段称为“,死区,”。对应于二极管开始导通时的外加电压称为“,死区电压,”。锗管约为0.2,V,硅管约0.5,V。,2）反向特性,外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为,反向饱和电流,或,漏电流,。该电流受温度影响很大。,2、伏安特性,正常工作时，电流变电压基本维持不变，称为正向导通压降。,硅管0.60.7,V,锗管,0.3,V。,U,I,死区电压 硅管0.5,V,锗管0,.2,V。,导通压降:硅管0.60.7,V,锗管,0.3,V。,反向击穿电压,U,BR,3）击穿特性,外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种显现称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。对应的电压称为,击穿电压,。,3、主要参数,（1）最大整流电流,I,OM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。由,PN,结结面积和散热条件决定，超过此值工作可能导致过热而损坏。,（2）反向击穿电压,U,BR,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，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压,U,RWM,一般是,U,BR,的一半。,（3）反向电流,I,RM,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,以上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包括整流、限幅、保护等。下面介绍两个交流参数。,（4）微变电阻,r,D,i,D,v,D,I,D,V,D,Q,i,D,v,D,r,D,是二极管特性曲线工作点,Q,附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，,r,D,是对,Q,附近的微小变化量的电阻。,（5）二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：,势垒电容,C,B,和,扩散电容,C,D,。,PN,结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,r,d,在实际电路分析、设计中，常使用二极管的电路模型：,（1）带导通电压的电路模型：,i,D,u,D,0,U,D,导通电压,U,D,与二极管材料有关：,硅管为0.60.7,V，,锗管为0.20.3,V,（2）忽略导通电压的电路模型,（理想二极管）：,i,D,u,D,0,请看应用实例,理想二极管应用电路实例,1、限幅电路,u,i,u,o,R,D,E,输入电压为一正弦波：,电池电压：,E=4V,0,8,t,输出电压如图,0,4,t,截止,截止,导通,导通,当输入电压小于电池电压时，二极管两端电压处于反向偏置，截止，没有电流流过，所以输出电压跟随输入电压变化。,当输入电压大于电池电压时，二极管两端电压处于正向偏置，导通，二极管两端电压为0，所以输出电压与电池电压相同，为4,V。,如果考虑二极管导通电压，则此时输出电压应为4.7,V。,该电路的作用就是,限制过高的输入电压,。,仿真,4,理想二极管应用电路实例,2、或门电路,D,1,D,2,R,-12,V,V,A,V,B,V,F,假定二极管导通电压忽略不计，我们用列表的方法来分析输入信号,V,A,，V,B,和输出信号,V,F,的关系：,V,A,V,B,V,F,D,2,D,1,3,V,3,V,3,V,3,V,0,V,0,V,0,V,0,V,导通,导通,导通,导通,导通,导通,截止,截止,3,V,0,V,3,V,3,V,如果定义 3,V,电平为逻辑 1，0,V,电平为逻辑 0，则，该电路实现逻辑“或”的功能：,V,F,=V,A,+V,B,共阴极接法：阳极电位高的,优先导通。,共阳极接法：阴极电位低的,优先导通。,仿真,例：,u,i,u,o,R,D,1,5,V,D,2,5,V,o,o,o,o,1）当,二极管电路如图，,D,1,、D,2,为理想二极管，试画出,范围内的电压传输特性曲线,。,解：,D,1,管截止，,D,2,管导通。,u,0,=,-,5V,-5,0,+5,+10,-10,u,i,(,V),+5,-5,u,o,2）当,D,1,管截止，,D,2,管截止。,u,0,=u,i,3）当,D,1,管导通，,D,2,管截止。,u,0,=+5V,例：二极管的应用：,R,R,L,u,i,u,R,u,o,t,t,t,u,i,u,R,u,o,PN,结正向偏置,+,+,+,+,内电场,外电场,变薄,P,N,+,_,内电场被削弱，,多子的扩散加强,能够形成较大的,扩散电流。,PN,结反向偏置,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,N,P,+,_,内电场被被加强，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。,