第1章：半导体二极管及其应用PPT讲稿.ppt

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1、第1章：半导体二极管及其应用第1页，共52页，编辑于2022年，星期一主要内容l l1 1 半导体二极管及其应用l l2 2 晶体管及放大电路基础l l3 3 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路l l4 集成运算放大器集成运算放大器l l5 5 反馈和反馈放大电路反馈和反馈放大电路l l6 6 集成运放组成的运算电路集成运放组成的运算电路l l7 7 信号检测与处理电路信号检测与处理电路l l8 8 信号发生器信号发生器l l9 功率放大电路功率放大电路l l10 10 直流稳压电源直流稳压电源第3页，共52页，编辑于2022年，星期一1 半导体二极管及其应用l l了解半导体基础知识；l

2、 l理解PN结的结构与形成；l l掌握PN结的单向导电性；l l熟悉二极管和稳压管的V-I特性曲线及其主要参数等。l l了解特种二极管第4页，共52页，编辑于2022年，星期一1.1 PN结1.1.1 PN结的形成1、半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。电阻率为l l硅（Si）和锗（Ge）是两种常用的半导体材料l l特点：四价元素，每个原子最外层有四个价电子GeSi第5页，共52页，编辑于2022年，星期一2、本征半导体：化学成分纯净的半导体，其纯度达到99.9999999%，通常称为“9个9”，在物理结构上呈单晶体形态。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：第6页，共52页，编辑于20

3、22年，星期一硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子这种结构如何体现半导体的特性呢？导电机制是什么？第7页，共52页，编辑于2022年，星期一3、载流子：可以自由移动的带电离子。当当导导体体处处于于热热力力学学温温度度0K时时，导导体体中中没没有有自自由由电电子子。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自由电子自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出

4、现了自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为为空穴空穴。这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称，也称热激热激发发。第8页，共52页，编辑于2022年，星期一+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子第9页，共52页，编辑于2022年，星期一l l自由电子是载流子。l l空穴也是一种载流子（Why？）。+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电

5、子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。第10页，共52页，编辑于2022年，星期一l l游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。称为复合。l l可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。时成对出现的，称为电子空穴对。l l当温度一定时，激发和复合达到动态平衡，当温度一定时，激发和复合达到动态平衡，即即“空穴空穴-电子对

6、电子对”浓度一定。浓度一定。第11页，共52页，编辑于2022年，星期一温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导温度越高，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。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。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。第12页，共52页，编辑于2022年，星期一4、

7、杂质半导体(1)(1)N型半导体型半导体(2)(2)P型半导体型半导体 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入某某些些微微量量元元素素作作为为杂杂质质，可可使使半半导导体体的的导导电电性性发发生生显显著著变变化化。掺掺入入的的杂杂质质主主要要是是三三价价或或五五价价元元素素。掺掺入入杂杂质质后后的的本本征征半半导导体体称称为为杂质半导体杂质半导体。第13页，共52页，编辑于2022年，星期一(1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体型半导体,也称电子型半导体。也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四

8、个半导体原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。缚而很容易形成自由电子。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什么的载流子是什么？第14页，共52页，编辑于2022年，星期一 在在N型半导体中自由电子是多数载流子型半导体中自由电子是多数载流子,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提供自由电子的五价杂质原子因自由电子自由

9、电子脱离而带正电脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、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。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。第15页，共52页，编辑于2022年，星

10、期一(2)P型半导体型半导体 本本征征半半导导体体中中掺掺入入三三价价杂杂质质元元素素，如如硼硼、镓镓、铟铟等等形形成成 P型型半半导导体体，也也称称为为空空穴穴型型半半导导体体。因因三三价价杂杂质质原原子子与与硅硅原原子子形形成成共共价价键键时时，缺缺少少一一个个价价电电子子而而在在共共价价键键中中留留下下一个空穴。一个空穴。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子第16页，共52页，编辑于2022年，星期一 P型型半半导导体体中中空空穴穴是是多多数数载载流流子子，主主要要由由掺掺杂杂形形成成；电电子子是少数载流子，由热激发形成。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

11、子。三空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。第17页，共52页，编辑于2022年，星期一 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: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

12、自由电子浓度:n=51016/cm3第18页，共52页，编辑于2022年，星期一杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多。近似认为多子与杂质浓度相等。子与杂质浓度相等。第19页，共52页，编辑于2022年，星期一小结l l半导体中有两种载流子，分别是自由电子和空穴。l l纯净半导体中的载流子主要取决于温度（或光照）。纯净半导体中的载流子主要取决于温度（或光照）。l l掺杂半导

13、体中的载流子可以分为多子（多数载流子）掺杂半导体中的载流子可以分为多子（多数载流子）和少子（少数载流子）。多子取决于掺杂浓度，少子和少子（少数载流子）。多子取决于掺杂浓度，少子取决于温度（或光照）。取决于温度（或光照）。P P型半导体中的多子是空穴，型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子，少子是自由电子，N N型半导体中的多子是自由电子，少型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。子是空穴。第20页，共52页，编辑于2022年，星期一1.1.2 PN 的单向导电性的单向导电性 1 1、PNPN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

14、型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了成了PN 结。结。第21页，共52页，编辑于2022年，星期一P型半导体型半导体N型半导体型半导体+多子扩散运动多子扩散运动内电场内电场E少子漂移运动少子漂移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。内电场越强，就使漂移运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区越强，而漂移使空间电荷区变薄。变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。第22页，共52页，编辑于2022年，星期一 在在一一块块本本征征半半导导体体两两

15、侧侧通通过过扩扩散散不不同同的的杂杂质质,分分别别形形成成 N 型型半半导导体体和和 P 型型半半导导体体。此此时时将将在在N型型半半导导体体和和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:PNPN结形成的物理过程：结形成的物理过程：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。多子的扩散运动多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 扩散扩散 漂移漂移否否是是宽宽第23页，共

16、52页，编辑于2022年，星期一 最最后后多多子子扩扩散散和和少少子子的的漂漂移移达达到到动动态态平平衡衡。对对于于P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体结结合合面面，离离子子薄薄层层形形成成的的空空间间电电荷荷区区称称为为P N 结结,在在空空间间电电荷荷区区，由由于于缺缺少少多多子子，所所以也称以也称耗尽层耗尽层。1 1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N区区 中中的电子（的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3 3、P 区中的电子和区中的电子和 N区中

17、的空穴（区中的空穴（都是少都是少），数），数量有限，因此由它们形成的电流很小。量有限，因此由它们形成的电流很小。第24页，共52页，编辑于2022年，星期一2、PN结的单向导电性 如如果果外外加加电电压压使使PN结结中中：P区区的的电电位位高高于于 N 区区的的电位，称为加正向电压，简称正偏；电位，称为加正向电压，简称正偏；PN结结具具有有单单向向导导电电性性，若若外外加加电电压压使使电电流流从从 P 区区流流到到 N 区区，PN结结呈呈低低阻阻性性，所所以以电电流流大大；反反之之是是高阻性，电流小。高阻性，电流小。P 区区的的电电位位低低于于 N 区区的的电电位位，称称为为加加反反向向电电压

18、压，简称反偏。简称反偏。第25页，共52页，编辑于2022年，星期一第26页，共52页，编辑于2022年，星期一PN结正偏时结正偏时 a、外加电场使得内电场被消弱，从而加剧了多子扩散；、外加电场使得内电场被消弱，从而加剧了多子扩散；多子向耗尽层的扩散使空间电荷层变窄；多子向耗尽层的扩散使空间电荷层变窄；b、空间电荷层变窄更有利于多子扩散而抑制少子漂移；、空间电荷层变窄更有利于多子扩散而抑制少子漂移；c、多子扩散电流称为正向电流（、多子扩散电流称为正向电流（P N），此时称），此时称PN结导通；结导通；PN结正偏：结正偏：PN结导通，电阻很小，正向电流较大；结导通，电阻很小，正向电流较大；第27

19、页，共52页，编辑于2022年，星期一PN结反偏时结反偏时a、外加电场增强内电场，从而阻碍多子扩散而增强了少子的、外加电场增强内电场，从而阻碍多子扩散而增强了少子的 漂移，使得空间电荷层变宽；漂移，使得空间电荷层变宽；b、少子漂移电流（、少子漂移电流（N P），称为反向饱和电流；），称为反向饱和电流；c、反向饱和电流很小，且外加电压超过一定数值时，基本不随、反向饱和电流很小，且外加电压超过一定数值时，基本不随 电压的增加而增加。电压的增加而增加。PN结反偏：结反偏：PN结截止，电阻很大，反向电流很小；结截止，电阻很大，反向电流很小；第28页，共52页，编辑于2022年，星期一PN结的电压与电流

20、关系其中其中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）2、PN结方程结方程正向：正向：反向：反向：近似近似第29页，共52页，编辑于2022年，星期一1.2 半导体二极管第30页，共52页，编辑于2022年，星期一第31页，共52页，编辑于2022年，星期一 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有二极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。三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示

21、意图 PN结面积小，结面积小，结电容小，用于检结电容小，用于检波和变频等高频电波和变频等高频电路。路。1、半导体二极管的结构半导体二极管的结构第32页，共52页，编辑于2022年，星期一(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路往往用于集成电路制造工艺中。制造工艺中。PN 结面结面积可大可小，用于高积可大可小，用于高频整流和开关电路中。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，结面积大，用于工频大电流整用于工频大电流整流电路。流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型(4)二极管的代表符号二极管的代表符号第33页，共52页，编辑于2022年，

22、星期一 2 2、二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性正向特正向特性性反向特反向特性性反向击穿特反向击穿特性性（1）、正向特性）、正向特性死区电压死区电压：硅：0.5V 锗：0.1V正常工作时的管压降正常工作时的管压降 硅：硅：0.7V 锗：锗：0.3V 第34页，共52页，编辑于2022年，星期一（2）、反向特性）、反向特性 反向电流由少子形成，因此反向电流一般很小很小；小功率硅管：小于1微安；小功率锗管：几十微安；（3）、反向击穿特性）、

23、反向击穿特性 反向击穿反向击穿：外加电压达到一定数值时，在PN结中形成强大的电场，强制产生大量的电子和空穴，使反向电流剧增；齐纳击穿：所加反向电压使空间电荷区增大，产生较大的电场，拉出共价键中的自由电子而产生较大的电流。当反向电压小于4V时，击穿主要为齐纳击穿。雪崩击穿：所加反向电压使空间电荷区增大，产生较大的电场，使做漂移的少子运动速度加大，能量加大，碰撞出共价键中的自由电子而产生较大的电流。一个当电压大于6V时，击穿主要为雪崩击穿。发生击穿是否就证明二极管损坏了呢？第35页，共52页，编辑于2022年，星期一3、半导体二极管的等效模型恒压模型U D 二极管的导通压降：硅管 0.7V；锗管

24、0.3V。二极管的VA特性理想二极管模型：正偏正偏反偏反偏小信号模型:在交流小信号模型下将二极管等效于rD,因此可用于分析二极管电路。第36页，共52页，编辑于2022年，星期一4、二极管的主要参数l l额定整流电流IF Fl l反向击穿电压U（BRBR）l l最高允许反向工作电压UR Rl l反向电流IR Rl l最高工作频率fMM第37页，共52页，编辑于2022年，星期一例1-1 ui=10sinwt(v)E=5vR=1k欧姆忽略二极管的正向压降和反向电流画出画出uo的波形的波形（1）ui E 时，二极管正向导通，uo=E;第38页，共52页，编辑于2022年，星期一例1-2 判断二极管

25、的 工作状态。判断方法判断方法：正向偏置VAVB；导通；反向偏置VAVB；截止；解题方法：解题方法：断开二极管2AP1，求VA和和VBVA=15（10/（10+140）=1V；VB=-10（2/（18+2）+15（5/（25+5）=1.5V；VAVB，所以，二极管2AP1截止；第39页，共52页，编辑于2022年，星期一1.3 半导体二极管的应用1.3.11.3.1在整流电路中的应用在整流电路中的应用D1、D3导通，D2、D4截止。u2正半周时:uLU1.工作原理第40页，共52页，编辑于2022年，星期一u2负半周时：D2、D4 导通，D1、D3截止。Uu2-+第41页，共52页，编辑于20

26、22年，星期一uLU第42页，共52页，编辑于2022年，星期一1.3.2 在检波中的应用第43页，共52页，编辑于2022年，星期一1.3.3 限幅电路第44页，共52页，编辑于2022年，星期一1.4 特种二极管1.4.1 硅稳压管IZ mi nIZ m a xUZIZUZ第45页，共52页，编辑于2022年，星期一2、稳压管的参数（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻第46页，共52页，编辑于2022年，星期一3、稳压原理第47页，共52页，编辑于2022年，星期一4、限流电阻的求法UiUZUD第48页，共52页，编辑于2022年，星期一136 PN结电容结电容+-RUU+_iR+-返回第49页，共52页，编辑于2022年，星期一载流子浓度。QpQn.PNU+U-。.第50页，共52页，编辑于2022年，星期一重要内容l l本征半导体，掺杂半导体，载流子，P型半导体，N型半导体，多子，少子，扩散运动，漂移运动l lPN结单向导电性，正向偏置，反向偏置l l二极管伏安特性l l特种二极管第51页，共52页，编辑于2022年，星期一