第2讲 半导体基础知识 二极管改PPT讲稿.ppt

第2讲 半导体基础知识 二极管改第1页，共51页，编辑于2022年，星期一第三章教学要求第三章教学要求重点与难点1、了解半导体的特性；2、了解PN结的载流子运动，理解PN结的工作原理；3、理解二极管的单向导电性，掌握二极管的外特性，在实际应用中正确选择二极管的参数；4、了解特殊二极管的外特性及应用。重点：PN结的单向导电性，二极管的外特性 及其应用电路。难点：PN结的工作原理，载流子运动。第2页，共51页，编辑于2022年，星期一本次课教学要求本次课教学要求1、了解半导体的特性；2、了解PN结的载流子运动，理解PN结的工作原理；3、理解二极管的单向导电性；4、掌握二极管的外特性，在实际应用中正确选择二极管的参数。第3页，共51页，编辑于2022年，星期一第第3 3章章 半导体二极管及其基本应用电路半导体二极管及其基本应用电路3.1 3.1 半导体基础知识半导体基础知识3.2 3.2 半导体二极管及其基本应用电路半导体二极管及其基本应用电路3.3 3.3 稳压二极管及其基本应用电路稳压二极管及其基本应用电路3.4 3.4 发光二极管及其基本应用举例发光二极管及其基本应用举例第4页，共51页，编辑于2022年，星期一3.1 3.1 半导体基础知识半导体基础知识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，来划分导体、绝的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。缘体和半导体。典型的典型的半导体材料半导体材料元素：元素：硅硅Si和和锗锗Ge化合物：化合物：砷化镓砷化镓GaAs等。等。电阻率：导体电阻率：导体 10106 610104 4 .cm.cm 绝缘体绝缘体 1010101010102222 .cm.cm 半导体半导体 10103 310109 9 .cm.cm第5页，共51页，编辑于2022年，星期一3.1 3.1 半导体基础知识（续）半导体基础知识（续）3.1.1 本征半导体本征半导体本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净的的晶晶格格结结构构完完整整半半导导体体，它它在在物物理理结结构构上上呈呈单单晶晶体体形形态。态。第6页，共51页，编辑于2022年，星期一1、半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列第7页，共51页，编辑于2022年，星期一硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构（平面硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构（平面示意图示意图 P43图图3.1.1）1、半导体的共价键结构（续）半导体的共价键结构（续）第8页，共51页，编辑于2022年，星期一空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而产由热激发而产生的自由电子和空穴对生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动是空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。充填空穴来实现的。2、本征半导体本征半导体第9页，共51页，编辑于2022年，星期一本征激发本征激发电电子子空穴对的产生空穴对的产生产生产生：价电子获得足够的能量，打破共价键，变成自由电子，产生电子-空穴对。空穴对。电子空穴对的电子空穴对的产生速率产生速率正比于温度。第10页，共51页，编辑于2022年，星期一两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，且子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。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？使其导电性易于人为控制。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，载流子温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。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。第11页，共51页，编辑于2022年，星期一影响半导体导电能力的因素影响半导体导电能力的因素1、温度、温度热敏特性；热敏特性；2、光辐射、光辐射光敏特性；光敏特性；3、杂质、杂质掺杂特性。掺杂特性。掺杂百万分之一的相关杂质，导电能力提掺杂百万分之一的相关杂质，导电能力提高约一百万倍。高约一百万倍。第12页，共51页，编辑于2022年，星期一 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，不在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，不改变其晶体结构，可使半导体的导电性发生显著变化。改变其晶体结构，可使半导体的导电性发生显著变化。本征半导体在掺入杂质后称为本征半导体在掺入杂质后称为杂质半导体杂质半导体。N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。体。P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。半导体。3.1.2 杂质半导体杂质半导体(P44)(P44)第13页，共51页，编辑于2022年，星期一 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，它主要由杂质原子提供它主要由杂质原子提供；空空穴是少数载流子穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。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，因此，因此五价杂质原子也称为五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。1.N型半导体型半导体磷（磷（P）多数多数载流子载流子第14页，共51页，编辑于2022年，星期一 在在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，它主要由掺杂形成它主要由掺杂形成；自由自由电电子是少数载流子，子是少数载流子，由热激发形成由热激发形成。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。三价杂质。三价杂质 因而也称因而也称为为受主杂质受主杂质。2.P型半导体型半导体硼（硼（B）多数多数载流子载流子第15页，共51页，编辑于2022年，星期一 3.杂杂质对半导体导电性的影响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/cm3第16页，共51页，编辑于2022年，星期一 本节中的有关概念本节中的有关概念注意注意：少子浓度比多子浓度小几个数量级。：少子浓度比多子浓度小几个数量级。本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质第17页，共51页，编辑于2022年，星期一3.1.3 PN结结(P45)(P45)1 1、PNPN结的形成结的形成图图3.1.5 PN结的形成结的形成第18页，共51页，编辑于2022年，星期一将在将在N型半导体和型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理型半导体的结合面上形成如下物理过程过程:因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 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型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 第19页，共51页，编辑于2022年，星期一平衡平衡PNPN结结温度不变、无光辐射、无外加电压条件下温度不变、无光辐射、无外加电压条件下的的PNPN结。多子的结。多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移处于处于动动态平衡，电流为态平衡，电流为0 0。第20页，共51页，编辑于2022年，星期一2 PN结的单向导电性结的单向导电性(P46)(P46)(1)PN结加正向电压结加正向电压 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向正向电压电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。促使多子扩散，抑制少子漂移；促使多子扩散，抑制少子漂移；产生大的正向扩散电流；产生大的正向扩散电流；空间电荷区变窄。空间电荷区变窄。PN结的伏安特性结的伏安特性PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况第21页，共51页，编辑于2022年，星期一2 PN结的单向导电性结的单向导电性(续续)(2)PN结加反向电压结加反向电压 少子漂移运动占主导，极微弱的的反向饱和电流。少子漂移运动占主导，极微弱的的反向饱和电流。空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。PN结的伏安特性结的伏安特性 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况第22页，共51页，编辑于2022年，星期一 PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，只有极小的反向漂移电流。只有极小的反向漂移电流。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。第23页，共51页，编辑于2022年，星期一其中其中IS 反向饱和电流反向饱和电流UT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）3 PN 3 PN结结V V-I I 特性表达式特性表达式其中，其中，q为电子电荷为电子电荷(1.6 10-19 C)，k为波耳兹曼常数为波耳兹曼常数(1.38 10-23J/K)PN结的伏安特性结的伏安特性第24页，共51页，编辑于2022年，星期一电击穿原理电击穿原理 当当PN结的反向电压增加到结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为速增加，此现象称为PN结的结的反反向击穿。向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆齐纳击穿齐纳击穿雪崩击穿雪崩击穿 电击穿电击穿可逆可逆*4 PN结的反向击穿结的反向击穿齐钠击穿：电场直接导致齐钠击穿：电场直接导致PN结击穿（结击穿（PN结内共价键被外电场打破，产生大量载流子，结内共价键被外电场打破，产生大量载流子，电流剧增。）电流剧增。）雪崩击穿：载流子的碰撞电离产生连锁反应导致雪崩击穿：载流子的碰撞电离产生连锁反应导致PN结击穿，尽管结击穿，尽管PN结内电场结内电场强度还不到击穿电场强度。强度还不到击穿电场强度。第25页，共51页，编辑于2022年，星期一势垒电容示意图势垒电容示意图*5 PN结的电容效应结的电容效应(P47)(P47)(1)势垒电容势垒电容CbPN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度随电压变化，从而导致结外加电压变化时，空间电荷区的宽度随电压变化，从而导致空间电荷区积累的电荷随电压变化，这就是空间电荷区积累的电荷随电压变化，这就是PN结的结的结电容效应结电容效应。第26页，共51页，编辑于2022年，星期一扩散电容示意图扩散电容示意图*5 PN结的电容效应（续）结的电容效应（续）(2)扩散电容扩散电容CdPN结加正向电压时，多子扩散结加正向电压时，多子扩散到对边半导体区而成为少数载到对边半导体区而成为少数载流子（非平衡载流子），其浓流子（非平衡载流子），其浓度梯度与电流（即电压）保持度梯度与电流（即电压）保持对应关系，电流越大浓度梯度对应关系，电流越大浓度梯度越大，积累的电荷也越多。这越大，积累的电荷也越多。这种非平衡少子积累的电荷随外种非平衡少子积累的电荷随外加电压变化形成的电容效应，加电压变化形成的电容效应，被称为被称为PN结的结的扩散电容效应扩散电容效应。第27页，共51页，编辑于2022年，星期一（3 3）PNPN结电容在实际应用中的几点考虑结电容在实际应用中的几点考虑1）正偏置时，扩散电容占主导；反偏置时，势垒电容占主导。）正偏置时，扩散电容占主导；反偏置时，势垒电容占主导。3）PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性。结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性。2）正偏置时，）正偏置时，PN结电阻小，结电阻小，PN结电容影响小；反偏置结电容影响小；反偏置时，时，PN结电阻大，结电阻大，PN结电容影响大。结电容影响大。4）利用二极管的电容效应制造的变容二极管，广泛用于）利用二极管的电容效应制造的变容二极管，广泛用于电子系统。电子系统。第28页，共51页，编辑于2022年，星期一3.2 半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管第29页，共51页，编辑于2022年，星期一半导体二极管图片第30页，共51页，编辑于2022年，星期一第31页，共51页，编辑于2022年，星期一第32页，共51页，编辑于2022年，星期一3.2.1 二极管的常见结构二极管的常见结构将将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。点接触型：点接触型：结面积小，结电容小结面积小，结电容小故结允许的电流小故结允许的电流小最高工作频率高最高工作频率高面接触型：面接触型：结面积大，结电容大结面积大，结电容大故结允许的电流大故结允许的电流大最高工作频率低最高工作频率低平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的结允许的电流大大的结允许的电流大第33页，共51页，编辑于2022年，星期一3.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 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几十几十A开启开启电压电压反向饱反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第34页，共51页，编辑于2022年，星期一从二极管的伏安特性可以反映出：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第35页，共51页，编辑于2022年，星期一3.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数最大整流电流最大整流电流IF：二极管长期运行时允许的最大平均电流：二极管长期运行时允许的最大平均电流最大反向工作电压最大反向工作电压UR：未击穿时最大瞬时值：未击穿时最大瞬时值反向电流反向电流 IR：即：即IS，二极管未击穿时的反相电流。，二极管未击穿时的反相电流。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结电容为结电容为扩散电容（扩散电容（Cd）与与势垒电容（势垒电容（Cb）之和。之和。扩散路程中电扩散路程中电荷的积累与释荷的积累与释放放空间电荷区宽空间电荷区宽窄的变化有电窄的变化有电荷的积累与释荷的积累与释放放 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，则失结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！去单向导电性！第36页，共51页，编辑于2022年，星期一3.2.4 3.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 1.将伏安特性折线化将伏安特性折线化理想理想二极管二极管近似分析中近似分析中最常用最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截截止时止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成线性成线性关系关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！第37页，共51页，编辑于2022年，星期一3.2.4 3.2.4 二极管的等效电路（续）二极管的等效电路（续）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，则可将二极管等效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。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2.微变等效电路微变等效电路第38页，共51页，编辑于2022年，星期一模型分析法应用举例分析61页题3.5二极管电路分析方法第39页，共51页，编辑于2022年，星期一3.2.5 3.2.5 二极管基本应用电路（二极管基本应用电路（P53P53）1、整流电路、整流电路 1)半波整流电路半波整流电路vo(4)输出电压平均值（输出电压平均值（Uo）：）：(1)输出电压波形：输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL(3)二极管上承受的最高电压：二极管上承受的最高电压：(2)二极管上的平均电流：二极管上的平均电流：ID =IL第40页，共51页，编辑于2022年，星期一u1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4)uo平均值平均值Uo：Uo=0.9U2(1)输出电压波形：输出电压波形：(2)二极管上承受的最高电二极管上承受的最高电压：压：uo(3)二极管上的平均电流：二极管上的平均电流：2)单相全波整流电路单相全波整流电路第41页，共51页，编辑于2022年，星期一3.2.5 3.2.5 二极管基本应用电路（续）二极管基本应用电路（续）2、下限检测电路、下限检测电路注：在逻辑电路中，注：在逻辑电路中，本电路为二极管与门本电路为二极管与门电路电路分析方法：分析方法：优先导通分析法。优先导通分析法。第42页，共51页，编辑于2022年，星期一3.2.5 3.2.5 二极管基本应用电路（续）二极管基本应用电路（续）3、放大器输入保护电路、放大器输入保护电路P55 图图3.2.11第43页，共51页，编辑于2022年，星期一 利用二极管反向击穿特利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。压时工作在反向电击穿状态。3.3 3.3 稳压二极管及其基本应用电路稳压二极管及其基本应用电路(P55)(P55)3.3.1 稳压二极管稳压二极管 1、符号及伏安特性、符号及伏安特性(a)符号及等效电路符号及等效电路第44页，共51页，编辑于2022年，星期一(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在规定的稳压管反向工作电流电流IZ下，所对应的反向工下，所对应的反向工作电压。作电压。rZ=UZ/IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM=UZ*IZmax(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数第45页，共51页，编辑于2022年，星期一正常稳压时正常稳压时 UO=UZ#稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？IZmin IZ IZmax#不加不加R R可以吗？可以吗？可以吗？可以吗？#上述电路上述电路上述电路上述电路u uI I为正弦波，且幅值大为正弦波，且幅值大于于U UZ ，u uO的波形是怎样的？的波形是怎样的？的波形是怎样的？的波形是怎样的？3.3.2 稳压二极管的基本应用电路稳压二极管的基本应用电路(P57)(P57)1、稳压管、稳压管 并联稳压电路并联稳压电路第46页，共51页，编辑于2022年，星期一3.3.2 稳压二极管的基本应用电路稳压二极管的基本应用电路(续续)2、稳压管、稳压管 限幅电路限幅电路对称双对称双 限幅电路限幅电路不对称双不对称双 限幅电路限幅电路书上P58-P59限幅电路第47页，共51页，编辑于2022年，星期一1、光电二极管光电二极管IU照度增加照度增加3.4 光电子器件光电子器件1）符号及伏安特性）符号及伏安特性 2）分析要点）分析要点a.无光照，与普通二极管相同；无光照，与普通二极管相同；b.有光照加反向电压，为光控恒流有光照加反向电压，为光控恒流源；源；c.有光照无外加电压，为光电池，有光照无外加电压，为光电池，？为正极。为正极。P第48页，共51页，编辑于2022年，星期一 2、发光二极管（、发光二极管（P59)3.4 光电子器件（续）光电子器件（续）1）符号）符号 P59图图3.4.12）分析要点）分析要点 当正向电流足够大时，发出一定波当正向电流足够大时，发出一定波长范围的光，发光颜色与材料相关，电长范围的光，发光颜色与材料相关，电特性与一般二极管类似，但正向压降比特性与一般二极管类似，但正向压降比较大（较大（2V左右）。左右）。3）应用举例）应用举例 P60 图图3.4.1 电源指示电路电源指示电路第49页，共51页，编辑于2022年，星期一补充P61题3.6 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。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？判断二极管工作状态的方法？第50页，共51页，编辑于2022年，星期一课外作业课外作业 PP.6162 (3.1 3.3 做书上）3.4（a)(f)3.5(b)(d)3.8 3.9END第51页，共51页，编辑于2022年，星期一