最新半导体二极管65840 (2)幻灯片.ppt

14.1 半导体的基本知识14.1.1 本征半导体及其导电性14.1.2 杂质半导体14.1.3 半导体的温度特性 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，划分为导的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3-310109 9 cm。典型的半。典型的半导体有导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。 (1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成成 N型半导体型半导体, ,也称也称电子型半导体电子型半导体。 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。因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由本征激发形成。由本征激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子。N型半导体的结构示意图如图型半导体的结构示意图如图01.04所示。所示。 图01.04 N型半导体结构示意图(2) P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了形成了P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。 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。价电子而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，电子是少数载流子，由本征激发形成。由本征激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。P型半导体的结构示意图如图型半导体的结构示意图如图01.05所示。所示。图01.05 P型半导体的结构示意图 图01.05 P型半导体的结构示意图14.1.3 14.1.3 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm314.2 PN结结14.2.1 PN结的形成14.2.2 PN结的单向导电性14.2.1 PN 结的形成结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半导体，经过载流子的扩型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了散，在它们的交界面处就形成了PN结。结。P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对于。对于P型半导体和型半导体和N型型半导体结合面，半导体结合面，离子薄层形成的离子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电。在空间电荷区，由于缺少荷区，由于缺少多子，所以也称多子，所以也称耗尽层耗尽层。 图01.06 PN结的形成过程 （动画1-3） PN 结形成结形成的过程可参阅的过程可参阅图图01.06。PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+ 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+ PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流（的正向扩散电流（PN结处于导通状态）；结处于导通状态）； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流（的反向漂移电流（PN结处于截止状态）。结处于截止状态）。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。14.3 半导体二极管14.3.1半导体二极管的结构类型14.3.2半导体二极管的伏安特性曲线14.3.3 半导体二极管的参数14.3.4半导体二极管的温度特性14.3.5半导体二极管的型号14.3.1 半导体二极管的结构类型 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极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、面接触型和平面型三大类。它们三大类。它们的结构示意图如图的结构示意图如图01.11所示。所示。(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。(a)点接触型 图 01.11 二极管的结构示意图二极管的表示符号二极管的表示符号D 图图 01.11 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(c)(c)平面型平面型(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工往往用于集成电路制造工艺中。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。(b)(b)面接触型面接触型14.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线 半导体二极管的伏安特性曲线如图半导体二极管的伏安特性曲线如图01.1201.12所示。所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。限的是反向伏安特性曲线。图图 01.12 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线 硅硅二极管的导通电压二极管的导通电压0.60.8V， 锗锗二极管的导通电压二极管的导通电压0.20.3V 。 (1) 正向特性 硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，左右， 锗锗二极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。左右。 当当0VVth时，正向电流为零，时，正向电流为零，Vth称为死区称为死区电压或开启电压。电压或开启电压。 当当V0即处于正向特性区域。即处于正向特性区域。正向区又分为两段：正向区又分为两段： 当当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。此时二极管导通。律增长。此时二极管导通。(2) 反向特性当当V0时，即处于反向特性区域。时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：反向区也分两个区域： 当当VBRV0时，反向电流很小，且基时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称电流也称反向饱和电流反向饱和电流I IS S 。 当当VVBR时，反向电流急剧增加，时，反向电流急剧增加，VBR称为称为反向击穿电压反向击穿电压 。 在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。不同。 硅二极管硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；反向饱和电流也很小；锗二极管锗二极管的反向击穿特性的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。 14.3.3 半导体二极管的参数 半导体二极管的参数包括最大整流电流半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压最大反向工作电压VRM、反向电流反向电流IR、最高工作频率最高工作频率fmax和结电和结电容容Cj等。几个主要的参数介绍如下：等。几个主要的参数介绍如下： (1) 最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2) 反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM 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VBR。 为安全计，在实际为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。的一半计算。 (3) 反向电流反向电流I IR R (4) 正向压降正向压降VF(5) 动态电阻动态电阻rd 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安( A)级。级。 在规定的正向电流下，二极管的正向电压在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约平下，约0.60.8V；锗二极管约；锗二极管约0.20.3V。 反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，显然， rd与工作电流的大小有关，即与工作电流的大小有关，即 rd = VF / IF14.3.4 半导体二极管的温度特性半导体二极管的温度特性 温度对二极管的性能有较大的影响，温度升温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加温度每增加88，反向电流将约增加一倍；锗二，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加极管温度每增加1212，反向电流大约增加一倍。，反向电流大约增加一倍。 另外，温度升高时，二极管的正向压降将减另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加小，每增加11，正向压降，正向压降VF(VD)大约减小大约减小2 2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图即具有负的温度系数。这些可以从图01.1301.13所示所示二极管的伏安特性曲线上看出。二极管的伏安特性曲线上看出。 图 01.13 温度对二极管伏安特性曲线的影响图示14.3.5 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：半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片 应用举例应用举例 主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 例例: 图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接负电源接负电源12V。VY=+2.7V解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通后，导通后， DB上加的是反向电压，上加的是反向电压，因而截止。因而截止。DA起钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY例：二极管：死区电压例：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14.4 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图电路如图01.14所示。所示。图见下页图见下页 图 01.14 稳压二极管的伏安特性 (a)符号 (b) 伏安特性 (c)应用电路(b)(c)(a)图示 从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。压二极管的参数。 (1) 稳定电压稳定电压VZ (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下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。 其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。取的。 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。 rZ = VZ / IZ (3) (3) 最大耗散功率最大耗散功率 PZM 稳压管的最大功率损耗稳压管的最大功率损耗取决于取决于PN结的面积和散热等结的面积和散热等条件。反向工作时条件。反向工作时PN结的功结的功率损耗为率损耗为 PZ= VZ IZ，由，由 PZM和和VZ可以决定可以决定IZmax。 (4) (4) 最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作和最小稳定工作 电流电流IZmin 稳压管的最大稳定工作稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，电流取决于最大耗散功率，即即PZmax =VZIZmax 。而。而Izmin对对应应VZmin。 若若IZIZmin则不能则不能稳压。稳压。 稳压二极管在工作时应反接，并稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。的工作电流，从而起到稳压作用。44 结束语结束语