第5章半导体二极管及其应用.pptx

5.1 半导体的基本知识 半导体材料 本征半导体 杂质半导体半导体的导电机制 PN结的形成及特性第1页/共70页 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。第2页/共70页 本征半导体硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构1、半导体的共价键结构第3页/共70页本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。2、本征半导体中的载流子第4页/共70页本征半导体本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低，所以总的来说导电能力很差。T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 2本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。因此，本征载流子的浓度对温度十分敏感。第5页/共70页 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 2某种掺杂半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。第6页/共70页 杂质半导体 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入的杂质主要是微量的价电子数较为接近的三价或五价元素。第7页/共70页 1.N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。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,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正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。第8页/共70页 2.P型半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。第9页/共70页 3.杂质对半导体导电性的影响 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 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106/cm3。2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3掺入杂 质，不仅本征半导体的导电能力有很大的提高，而且使其导电特性的稳定性（主要对温度变化）更强。第10页/共70页 4.杂质半导体载流子的漂移运动和扩散运动漂移运动：在电场作用下半导体中载流子的定向运动。漂移运动产生的电流称为漂移电流。当半导体局部光照或有载流子从外界流入，半导体内载流子浓度分布将不均匀，载流子会从浓度高的区域向浓度低的区域运动。扩散运动：因浓度差而引起载流子的定向运动.扩散运动产生的电流称为扩散电流。半导体的载流子的运动是杂乱无章的热运动，不形成电流.第11页/共70页结的形成及特性1.PN结的形成2.PN结的单向导电性 3.PN结的其他特性4.PN结的高频等效电路及最高工作频率第12页/共70页1.PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时，将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成PN结。第13页/共70页将在N型和P型半导体的结合面上发生如下物理过程:因浓度差空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 第14页/共70页 2.PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况 低电阻 大的正向扩散电流第15页/共70页 2.PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况 高电阻 很小的反向漂移电流 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，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。第16页/共70页 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。第17页/共70页 2.PN结的单向导电性(3)PN结V-I 特性表达式其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）第18页/共70页 3.PN结的其他特性 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆 1 PN结的反向击穿第19页/共70页 雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿 当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随之增强。这样，通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下增大获得的能量，在晶体中运动的电子和空穴将不断地与晶体原子发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞可使共价键中的电子激发形成自由电子空穴对。新产生的电子和空穴也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞再产生电子空穴对，这就是载流子的倍增效应。反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡，发生雪崩一样，载流子增加得多而快，这样，反向电流剧增，PN结就发生雪崩击穿。当PN结加有较高的反向电压时，空间电荷区存在一个强电场，它能够破坏共价键，将束缚电子分离出来造成电子空穴对，形成较大的反向电流，产生齐纳击穿。发生齐纳击穿需要的电场强度约为210 vcm，这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到，因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度(即杂质离子)也大，因而空间电荷区很窄，电场强度可能很高。PN结热击穿后电流很大，电压又很高，消耗在结上的功率很大，容易使PN结发热，把PN结烧毁。热击穿是不可逆的，电击穿是可逆的。电击穿可被利用(如稳压管)，而热击穿须尽量避免。第20页/共70页(1)势垒电容CB势垒电容示意图2 PN结的电容效应 PN结交界处形成的势垒区，是积累空间电荷的区域，当PN结两端电压改变时，就会引起积累在PN结的空间电荷的改变，从而显示出PN结的电容效应。用势垒电容来描述二极管势垒区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应。PN结的空间电荷随外加电压的变化而变化，当外加正向电压升高时，N区的电子和P区的空穴进入耗尽区，相当于电子和空六分别向势垒电容“充电”。当外加电压降低时，又有电子和空穴离开耗尽区，好像电子和空穴从势垒电容放电。3.PN结的其他特性第21页/共70页(2)扩散电容CD扩散电容示意图 二极管正向导电时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化，当PN结正向电压加大时，正向电流随着加大，这就要有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求；而当正向电压减小时，正向电流减小，积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小，这样，就相应地要有载流于的“充入”和“放出”。因此，积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化就用PN结的扩散电容来描述。扩散电容反映了在外加电压作用下载流子在扩散过程中积累的情况。第22页/共70页其中r二极管等效电阻C 二极管等效电容，PF 级，非常小。C的阻抗1/(C)可见，频率越高，C的阻抗越小；当，C的阻抗 0；结果，影响到二极管的状态；3.PN结的其他特性第23页/共70页 3.PN结的其他特性3.温度特性 当环境温度升高时，少数载流子的数目增多，反向饱和电流随之增大。4.电阻特性 非线性电阻特性PN结正偏时，PN结导通，电阻较小；PN结反偏时，PN结截止，电阻较大。第24页/共70页 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念及知识点 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 PN结的形成 PN结的单向导电性第25页/共70页5.2 半导体二极管 半导体二极管的结构 二极管的伏安特性及其参数 二极管的等效电路实物图片第26页/共70页 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 二极管的结构示意图第27页/共70页(3)平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型(4)二极管的代表符号第28页/共70页 二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的V-I 特性锗二极管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向击穿特性第29页/共70页 二极管的参数(1)最大整流电流IF+iDvD-R第30页/共70页 二极管的参数(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRMVRM=0.5VBR为了保证二极管安全工作：(3)反向饱和电流IS第31页/共70页 二极管的参数(4)正向压降VF（硅二极管典型值）（锗 二极管典型值）导通压降：PN结的伏安特性+iDvD-R第32页/共70页 二极管的参数(5)极间电容CB或 最高工作频率C的阻抗1/(C)第33页/共70页 二极管的等效电路(1)理想二极管等效电路(2)考虑正向压降的等效电路忽略二极管的正向压降和反向电流考虑二极管的正向压降，硅管：UD（ON）=0.7V 锗管：UD（ON）=0.3V第34页/共70页例 二极管门电路如图所示，A、B为输入端，F为输出端，根据输入信号波形分析各二极管的工作状态，并该电路的输出波形 第35页/共70页半导体二极管图片第36页/共70页第37页/共70页end第38页/共70页补充知识 二极管基本电路及其分析方法 1 二极管V-I 特性的建模 2 应用举例第39页/共70页PN结的伏安特性iD=(VDD-vDD)/RPN结的伏安特性VDD第40页/共70页 1 二极管V-I 特性的建模 1.理想模型3.折线模型 2.恒压降模型k阴极阳极a第41页/共70页 1 二极管V-I 特性的建模 1.理想模型第42页/共70页 1 二极管V-I 特性的建模 2.恒压降模型（硅二极管典型值）（锗 二极管典型值）导通压降：第43页/共70页 4.小信号模型(感兴趣自学）二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）1 二极管V-I 特性的建模第44页/共70页 2 应用举例 1.二极管的静态工作情况分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 时恒压模型（2）VDD=1V 时理想模型恒压模型结论：当VI10 Von时，用理想模型。当VI 接近 Von时，用恒压降模型。第45页/共70页例提示 2 应用举例 2.限幅电路第46页/共70页5.3 单相整流滤波电路 单相半波整流电路 单相桥式整流电路 滤波电路第47页/共70页1.单相半波整流电路1）电路的组成及工作原理图所示为单相半波整流电路。由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波,故称半波整流。单相半波整流电路第48页/共70页直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。即2）负载上的直流电压和直流电流流过负载RL上的直流电流为第49页/共70页当二极管截止时，它承受的反向峰值电压URM是变压器次级电压的最大值，即3）整流二极管参数由图可知,流过整流二极管的平均电流IV与流过负载的电流相等,即第50页/共70页2.单相桥式整流电路1）电路的组成及工作原理 桥式整流电路由变压器和四个二极管组成,如图所示。由图(a)可见,四个二极管接成了桥式,在四个顶点中,相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载RL,不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。输出波形如图所示。单相桥式整流电路第51页/共70页单相桥式电路的电流通路桥式整流电路输出波形图第52页/共70页2）负载上的直流电压和直流电流 由上述分析可知,桥式整流负载电压和电流是半波整流的两倍。3）整流二极管的参数 在桥式整流电路中,因为二极管V1、V3和V2、V4在电源电压变化一周内是轮流导通的,所以流过每个二极管的电流都等于负载电流的一半,即第53页/共70页每个二极管在截止时承受的反向峰值电压为:电路的优点：桥式整流电路与半波整流电路相比,电源利用率提高了1倍,同时输出电压波动小,因此桥式整流电路得到了广泛应用。电路的缺点：二极管用得较多，电路连接复杂，容易出错，为了解决这一问题，生产厂家常将整流二极管集成在一起构成桥堆第54页/共70页.滤波电路常见的电路形式如图所示1）电容滤波电路 由上述分析可知,桥式整流负载电压和电流是半波整流的两倍。a)电路组成及工作原理 图为单相半波整流电容滤波电路,它由电容C和负载RL并联组成。半波整流电容滤波电路及波形第55页/共70页其工作原理如下:当u2的正半周开始时，若u2uC(电容两端电压)，整流二极管V因正向偏置而导通，电容C被充电：由于充电回路电阻很小，因而充电很快，uC和u2变化同步。当t=/2时，u2达到峰值，C两端的电压也近似充至 u2 值。在桥式整流电路中加电容进行滤波器与半波整流滤波电路工作原理是一样的,不同点是在u2全周期内,电路中总有二极管导通,所以u2对电容C充电两次,电容器向负载放电的时间缩短,输出电压更加平滑,平均电压值也自然升高。这里不再赘述。桥式整流电容滤波电路及波形如图所示。第56页/共70页b）负载上电压的计算c)元件选择 电容选择:滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数,RLC愈大,输出电压脉动就愈小,通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的35倍。d)电容滤波的特点 电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动小。但在接通电源的瞬间,将产生强大的充电电流,这种电流称为“浪涌电流”;同时,因负载电流太大,电容器放电的速度加快,会使负载电压变得不够平稳,所以电容滤波电路只适用于负载电流较小的场合。第57页/共70页2）电感滤波电路 电感线圈L和负载的串联电路,同样具有滤波作用,电路如图所示。整流滤波输出的电压,可以看成由直流分量和交流分量叠加而成。因电感线圈的直流电阻很小,交流电抗很大,故直流分量顺利通过,交流分量将全部降到电感线圈上,这样在负载RL得到比较平滑的直流电压。电感滤波电路的输出电压为桥式整流电感滤波电路及波形第58页/共70页5.4 特殊体二极管 稳压二极管 光电子器件1.光电二极管2.发光二极管3.激光二极管第59页/共70页稳压二极管1.稳压特性(a)符号(b)伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。IZ很大，VZ很小。第60页/共70页(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率 PZM VZ IZ(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数VZ2.稳压二极管主要参数稳压二极管第61页/共70页稳压二极管3.稳压电路正常稳压时 VO=VZ#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？#上述电路上述电路V VI I为正弦波，且幅值为正弦波，且幅值大于大于V VZ Z ，V VO O的波形是怎样的？的波形是怎样的？第62页/共70页补充作业1.一稳压电路如图所示，VI=VIMinVIMax，IL=ILMinILMax，DZ 的参数有VZ、IZ 和IZM，试选择合适的电阻R，使DZ 正常工作。end第63页/共70页稳压二极管IZmin IZ IZmaxIZ=IR Io=(VIVz)/R Io 思路一：IZmin IZ=(VIVz)/R Io IZmax在VI=VIMinVIMax，IL=ILMinILMax时，上述不等式必须恒成立。1）若VI=VIMin，IL=ILMax时，IZmin IZ成立;则其他情况下，IZmin IZ恒成立。2）若VI=VIMax，IL=ILMin时，IZ IZmax成立，则其他情况下，IZ IZmax恒成立。第64页/共70页稳压二极管IZmin IZ IZmaxIZ=IR Io=(VIVz)/R Io 思路二：IZmin IZ=(VIVz)/R Io IZmaxR (VIVz)/（IZmin Io）和 R (VIVz)/（IZmax Io）在VI=VIMinVIMax，IL=ILMinILMax时，上述不等式必须恒成立。所以，R (VIMinVz)/（IZmin ILMax）；R (VIMax Vz)/（IZmax ILMin）。第65页/共70页稳压二极管IZmin IZ IZmaxIZ=IR Io=(VIVz)/R Io 思路三：R=(VIVz)/（IZ Io）如果Rmin R Rmax时，IZmin IZ IZmax成立。则Rmin Izmax，Rmax Izmin。所以，Rmin(VIMax Vz)/（IZmax ILMin）；Rmax(VIMinVz)/（IZmin ILMax）。在VI=VIMinVIMax，IL=ILMinILMax时，Rmin R Rmax必须恒成立。第66页/共70页第67页/共70页第68页/共70页谢 谢！第69页/共70页感谢您的观看！第70页/共70页