第3章 半导体二极管及其基本应用.ppt

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1、模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronic 第3章 半导体二极管及其基本应用第3章 半导体二极管及其基本应用3.1 3.1 半导体基础知识半导体基础知识3.2 3.2 半导体二极管半导体二极管3.3 3.3 稳压二极管稳压二极管2.1 半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应一、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。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。纯

2、净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、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。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。电。半导体硅（半导体硅（Si）、）、锗（锗（Ge），），均为四价元素，它们原均为四价元素，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。子的最外层

3、电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升一定温度下，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，自由电子与高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对

4、的浓度加大。空穴对的浓度加大。动态平衡动态平衡两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，导电性增强。热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。二、杂质半导体 1.N型半导体磷（磷（P）杂质半导体主要

5、靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。导电性可控。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？了？少了？为什么？2.2.P型半导体硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子变化的数

6、目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？子浓度的变化相同吗？三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气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。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。区的自由电子浓度降低，产生内电场。PN 结的形成 因电场作用所产因电场作用所产生的运动称为漂移生的运动称为漂移运动。运动。参与扩散运动和漂移

7、运动的载流子数目相同，达到动态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，就形成了平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、区、自由电子从自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。PN结加正向电压导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加反

8、向电压截止：结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。PN 结的单向导电性必要吗？必要吗？四、PN 结的电容效应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结外加的正向电压变化

9、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过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容：结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！则失去单向导电性！讨论一o为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？导电性能？o为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是为什么半导体器件的温度稳定性差？是多

10、子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？少子是影响温度稳定性的主要因素？o为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？3.2 半导体二极管一、二极管的组成一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数 一、二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管 一、二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电

11、极，就构成了二极管。点接触型：结面积小，点接触型：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许的电流小，最高工作的电流小，最高工作频率高。频率高。面接触型：结面积大，面接触型：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许的电流大，最高工作的电流大，最高工作频率低。频率低。平面型：结面积可小、平面型：结面积可小、可大，小的工作频率可大，小的工作频率高，大的结允许的电高，大的结允许的电流大。流大。二、二极管的伏安特性及电流方程材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几几十十A开启开启电压电压反向饱反

12、向饱和电流和电流击穿击穿电压电压温度的温度的电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性单向导电性2.伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10三、二极管的等效电路理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截

13、止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止截止时时IS0导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系应应根据不同情况选择不同的等效电路！根据不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化？100V？5V？1V？2.微变等效电路Q越高，越高，rd越小。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阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流四、二极管的主要参数o最大整流电流最大整流电流IF：最大平均值最大平均

14、值o最大反向工作电压最大反向工作电压UR：最大瞬时值最大瞬时值o反向电流反向电流 IR：即：即ISo最高工作频率最高工作频率fM：因：因PN结有电容效应结有电容效应二极管的分析方法二极管的分析方法理想二极管及二极管特性的折线近似理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管一、理想二极管一、理想二极管一、理想二极管特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通正偏导通，uD=0;反偏截止反偏截止，iD=0 U(BR)=二、二极管的恒压降模型二、二极管的恒压降模型二、二极管的恒压降模型二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7 V(Si)0.2 V(Ge)UD(

15、on)UD(on)例例1.3.1 硅二极管，硅二极管，R=2k，分别用二极管理想模型和恒压降分别用二极管理想模型和恒压降模型求出模型求出VDD=2V 和和 VDD=10V 时时 IO 和和 UO 的值。的值。UOVDDIORUOVDDIORUOVDDIOR解解VDD=2V 理想理想IO=VDD/R=2/2 =1(mA)UO=VDD=2V恒压降恒压降UO=VDD UD(on)=2 0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA)VDD=10V 理想理想IO=VDD/R=10/2=5(mA)恒压降恒压降UO=10 0.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)结论：结论：V

16、DD 大采用理想模型大采用理想模型VDD 小用恒压降模型小用恒压降模型例例1.3.3 二极管构成二极管构成“门门”电路，设电路，设V1、V2均为理想均为理想二极管，当输入电压二极管，当输入电压UA、UB为低电压为低电压0V和高电压和高电压5V的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压UO的值。的值。UAUBUOR3k 12VVDDV1V2BAY输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出电压电压UAUBV1V20V0V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0V0V5V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0V5V0V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0V5V5V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5V例例

17、1.3.5 ui=2 sin t(V),分析二极管的限幅作用。分析二极管的限幅作用。ui 较小，宜采用恒压降模型较小，宜采用恒压降模型V1V2uiuORui 0.7VV1、V2均截止均截止uO uiuO 0.7Vui 0.7VV2导通导通V截止截止ui URH时，时，uO1=uO2=UOM，D1导通，导通，D2截止；截止；uO=UZ。当当uIURL时，时，uO2=uO1=UOM，D2导通，导通，D1截止；截止；uO=UZ。当当URLuI URH时，时，uO1=uO2=UOM，D1、D2均截止；均截止；uO=0。讨论三o判断二极管工作状态的方法？判断二极管工作状态的方法？o什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？讨论四o什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？o如何求解回路电流？如何求解回路电流？uD=V-iRQIDUD若若V与与uD可比，如可比，如V=2V，R=500，则需图解：，则需图解：实测特性实测特性