第1节晶体二极管精.ppt

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1、第1节晶体二极管第1页，本讲稿共52页第一节第一节晶体二极管晶体二极管一、半导体的导电性一、半导体的导电性二、二、PN结及其单向导电性结及其单向导电性三、晶体二极管及其特性三、晶体二极管及其特性*四、特殊二极管四、特殊二极管*第2页，本讲稿共52页一、半导体的导电性一、半导体的导电性 1.半导体半导体(semiconductor)半导体的物理特性半导体的物理特性 物质根据其导电性能分为物质根据其导电性能分为 导导 体体 绝缘体绝缘体 半导体半导体第3页，本讲稿共52页半导体的导电能力具有独特的性质。半导体的导电能力具有独特的性质。温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；温度升高时，纯净的半

2、导体的导电能力显著增加；在在纯纯净净半半导导体体材材料料中中加加入入微微量量的的“杂杂质质”元元素素，它它的电导率就会成千上万倍地增长；的电导率就会成千上万倍地增长；纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。第4页，本讲稿共52页简化原子结构模型如图的简化形式。简化原子结构模型如图的简化形式。+4惯性核惯性核价电子价电子硅和锗的简化原子模型硅和锗的简化原子模型半导体的晶体结构半导体的晶体结构 第5页，本讲稿共52页单晶半导体结构特点单晶半导体结构特点 共共价价键键:由由相相邻邻两两个个原原子子各各拿拿出出一一个个价价电电子子组组成成价价电子对所构成的联

3、系。电子对所构成的联系。晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键第6页，本讲稿共52页2.2.半半导体的体的导电原理原理 本征半导体本征半导体（Intrinsic Semiconductor）纯纯净净的的、结结构构完完整整的的单单晶晶半半导导体体，称称为本征半导体。为本征半导体。物物质质导导电电能能力力的的大大小小取取决决于于其其中中能能参参与与导电的粒子导电的粒子载流子的多少。载流子的多少。第7页，本讲稿共52页 在在本本征征半半导导体体中中，激激发发出出一一个个自自由由电电子子，同同时时便便产产生生一一个个空空穴穴。电电子子和和空空穴

4、穴总总是是成成对对地地产产生生，称称为电子空穴对。为电子空穴对。本征激发（本征激发（Intrinsic Excitation）产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。第8页，本讲稿共52页 空空穴穴的的运运动动实实质质上上是是价价电电子子填填补补空穴而形成的。空穴而形成的。BA空穴自由电子自由电子晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键共价键第9页，本讲稿共52页 由由于于空空穴穴带带正正电电荷荷，且且可可以以在在原原子子间间移移动动，因此，空穴是一种载流子因此，空穴是一种载流子(carrier)。

5、半导体中有两种载流子：自由电子载流子半导体中有两种载流子：自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），它们均可在电场作用下形成电流。它们均可在电场作用下形成电流。第10页，本讲稿共52页 杂质半导体杂质半导体本本征征半半导导体体的的电电导导率率很很小小，而而且且受受温温度度和和光光照照等等条条件件影影响响甚甚大大，不不能能直直接接用用来来制制造造半半导导体器件。体器件。本本征征半半导导体体的的物物理理性性质质：纯纯净净的的半半导导体体中中掺掺入微量元素，导电能力显著提高。入微量元素，导电能力显著提高。掺入的微量元素掺入的微量元素“杂质杂质”。掺掺入

6、入了了“杂杂质质”的的半半导导体体称称为为“杂杂质质”半半导导体。体。第11页，本讲稿共52页常用的杂质元素常用的杂质元素 三价的硼、铝、铟、镓三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑五价的砷、磷、锑 通通过过控控制制掺掺入入的的杂杂质质元元素素的的种种类类和和数数量量来来制制成成各种各样的半导体器件。各种各样的半导体器件。杂质半导体分为：杂质半导体分为：N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。第12页，本讲稿共52页 N型半导体型半导体(Negative Type Semiconductor)在在本本征征半半导导体体中中加加入入微微量量的的五五价价元元素素，可可使使半半导导体体中中自自由由

7、电电子子浓浓度度大大为为增增加加，形成形成N型半型半导导体。体。掺掺入入的的五五价价杂杂质质原原子子占占据据晶晶体体中中某某些些硅硅（或锗）原子的位置。如图所示。（或锗）原子的位置。如图所示。第13页，本讲稿共52页N型半导体晶体结构示意图型半导体晶体结构示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4 共价键共价键 掺入五价原子掺入五价原子掺入五价原掺入五价原子占据子占据Si原原子位置子位置 在在室室温温下下就就可可以以激激发发成成自自由电子由电子第14页，本讲稿共52页 P型半导体型半导体(Positive Type Semiconductor)在在本本征征半半导导体体中中加加入入微微量量的的三

8、三价价元元素素，可可使使半半导导体体中的空穴中的空穴浓浓度大度大为为增加，形成增加，形成P型半型半导导体。体。空位空位AP型半导体晶体结型半导体晶体结构示意图构示意图+4+4+4+4+4+3+4+4+4共价键共价键空位吸引邻近空位吸引邻近原子的价电子填原子的价电子填充，从而留下一充，从而留下一个空穴。个空穴。在在P型半导体中，型半导体中，空穴数等于负离子空穴数等于负离子数与自由电子数之数与自由电子数之和和，空穴带正电，空穴带正电，负离子和自由电子负离子和自由电子带负电，整块半导带负电，整块半导体中正负电荷量相体中正负电荷量相等，保持电中性。等，保持电中性。第15页，本讲稿共52页 载流子的漂移

9、运动和扩散运动载流子的漂移运动和扩散运动 漂移运动漂移运动 有有电电场场力力作作用用时时，电电子子和和空空穴穴便便产产生生定定向向运运动动，称称为为漂漂移移运运动动。漂漂移移运运动动产产生生的的电电流流称称为为漂移电流。漂移电流。扩散扩散运动运动 由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动，由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动，载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。第16页，本讲稿共52页二、二、PN结及其单向导电性结及其单向导电性 PN结(PN Junction)：是是指指在在P型型半半导体体和和N型型半半导体体的的交交界界处形形成的空成的空间电荷区。

10、荷区。PN结是构成多种半是构成多种半导体器件的基体器件的基础。二二极极管管的的核核心心是是一一个个PN结；三三极极管管中中包包含含了两个了两个PN结。第17页，本讲稿共52页浓度差引起载流子的扩散。浓度差引起载流子的扩散。1.PN结的形成结的形成 l扩散的结果形成自建电场。扩散的结果形成自建电场。空间电荷区也称作空间电荷区也称作“耗尽区耗尽区”“势垒势垒区区”第18页，本讲稿共52页自建电场阻止扩散，加强漂移。自建电场阻止扩散，加强漂移。动态平衡。动态平衡。扩散扩散=漂移漂移 第19页，本讲稿共52页2.2.PN结的导电特性结的导电特性 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结外加正向电压结外

11、加正向电压 如图所示，电源的正极接如图所示，电源的正极接P区，负极接区，负极接N区，这种接法区，这种接法叫做叫做PN结加正向电压或正结加正向电压或正向偏置。向偏置。第20页，本讲稿共52页PN结结外外加加正正向向电电压压时时（P正正、N负负），空空间间电荷区变窄。电荷区变窄。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。第21页，本讲稿共52页 PN结外加反向电压结外加反向电压 电电源源的的正正极极接接N区区，负负极极接接P区区，这这种种接接法法叫做叫做PN结加反向电压或反向偏置。结加反向

12、电压或反向偏置。第22页，本讲稿共52页PN结加加反反向向电压时，空空间电荷荷区区变宽，自自建建电场增增强，多子的，多子的扩散散电流近似流近似为零。零。反反向向电流流很很小小，它它由由少少数数载流流子子形形成成，与与少少子子浓度成正比。度成正比。少少子子的的值与与外外加加电压无无关关，因因此此反反向向电流流的的大大小小与与反反向向电压大大小小基基本本无无关关，故故称称为反反向向饱和和电流。流。温温度度升升高高时，少少子子值迅迅速速增增大大，所所以以PN结的反向的反向电流受温度影响很大。流受温度影响很大。第23页，本讲稿共52页PN结的反向击穿结的反向击穿 加加大大PN结结的的反反向向电电压压到

13、到某某一一值值时时，反反向向电电流流突突然然剧剧增增，这这种种现现象象称称为为PN结结击击穿穿，发发生生击击穿穿所所需需的的电电压压称称为为击击穿穿电电压压，如图所示。如图所示。反反向向击击穿穿的的特特点点：反反向向电电压压增增加加很很小小，反反向向电电流流却却急剧增加。急剧增加。UBRU（V）I（mA）0 图图PN结反向击穿结反向击穿第24页，本讲稿共52页 雪崩击穿、齐纳击穿雪崩击穿、齐纳击穿 雪崩雪崩击穿通常穿通常发生在生在掺杂浓度度较低的低的PN结中。中。(UBR6v)齐纳击穿齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高的通常发生在掺杂浓度较高的PN结中。结中。(UBR6v)雪崩击穿和齐纳击穿均为电

14、击穿。雪崩击穿和齐纳击穿均为电击穿。热击穿热击穿 热击穿则为破坏性击穿，这时热击穿则为破坏性击穿，这时PN结的耗散功率已超过允许值。结的耗散功率已超过允许值。第25页，本讲稿共52页三、晶体二极管及其特性三、晶体二极管及其特性1.半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型 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。按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管 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。(a)(a)点接

15、触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 第26页，本讲稿共52页 PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。(c)(c)平面型平面型 往往用于集往往用于集成电路制造中。成电路制造中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关用于高频整流和开关电路中。电路中。(3)平面型二极管平面型二极管 (2)面接触型二极管面接触型二极管(4)二极管的代表符号二极管的代表符号(b)(b)面接触型面接触型阳极阳极阴极阴极第27页，本讲稿共52页半导体二极管图片第28页，本讲稿共52页半导体二极管图片第29页，本讲稿共52页2.二极管的伏安特性二极管的伏安特

16、性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性CDoBAUBRuDiD（b b）2CP10-202CP10-20的的伏安特性曲线伏安特性曲线iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）7520（c c）2AP152AP15的的伏安特性曲线伏安特性曲线iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.8IS：反向饱和电流：反向饱和电流UT：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温(300 K)下，下，UT 26 mV第30页，本讲稿共52页 正向特性正向

17、特性 死区电压：硅管死区电压：硅管 0.5V 锗管锗管 0.1V 线性区：硅管线性区：硅管 0.6V1V 锗管锗管 0.2V0.5V 对温度变化敏感：对温度变化敏感：温度升高温度升高正向特性曲线左移正向特性曲线左移 温度每升高温度每升高1正向压降正向压降 减小约减小约2mV。(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性正正向向特特性性CDoBAUBRuDiD第31页，本讲稿共52页 反向特性反向特性 反向电流：很小。反向电流：很小。硅管硅管 0.1微安微安 锗管锗管 几十个微安几十个微安 受温度影响大：受温度影响大：温度每升高温度每升高10 反向电流增加约反向电流增加约1倍。倍。反向击穿特性反向

18、击穿特性 反向击穿反向击穿UBR:几十伏以上。几十伏以上。(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性反向反向击穿击穿特性特性CDoBAUBRuDiD反向反向特性特性第32页，本讲稿共52页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 最大反向工作电压最大反向工作电压UR 反向电流反向电流I IR R 最高工作频率最高工作频率fM 第33页，本讲稿共52页 理想二极管等效理想二极管等效电电路路uDiD0 DK理想二极管等效电路理想二极管等效电路 可可以以忽忽略略二二极极管管的的正正向向压压降降和和反反向向电电流流，把把二二极极管管理想化为一个开关，如图所示。理想化为一个开关

19、，如图所示。4.二极管的等效电路及应用二极管的等效电路及应用 第34页，本讲稿共52页 考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路近近似似认认为为二二极极管管正正向向导导通通时时有有一一个个固固定定的的管管压压降降UD（硅硅管管取取0.7V，锗锗管管取取0.2V），于于是是可可用用一一固固定电压源来等效正向导通的二极管。定电压源来等效正向导通的二极管。当当外外加加电电压压U0且且uUR+UD时时，二二极极管管D导通，开关闭合，输出电压导通，开关闭合，输出电压uO=UR十十UD。当当uUR+UD时时，二二极极管管D截截止止，开开关关断断开开，输输出出电电压压uO=u。k kU UR RR Ru

20、 uo o u u +（b）U UD D第39页，本讲稿共52页 画画出出uO的的波波形形。电电路路将将输输出出电电压压限限制制在在UR+UD以以下下，可可以以采采用用理理想想二二极极管管等等效效电电路路来来进进行行分分析析，那那么么uO的的波形将近似在波形将近似在UR电压以上削顶。电压以上削顶。k kU UR RR Ru uo o u u +（b）U UD Du uo o （c）U UR R+U UD D第40页，本讲稿共52页1.稳压二极管稳压二极管 稳稳压压二二极极管管亦亦称称齐齐纳纳二二极极管管(Zener Diode)，与与一一般般二二极极管管不不同同之之处处是是它它正正常常工工作作

21、在在PN结结的的反反向向击击穿穿区区。因因其其具具有有稳稳定定电电压压作作用用，故故称称为为稳稳压压管管（Voltage Regulator）。）。四、特殊二极管四、特殊二极管第41页，本讲稿共52页 它它的的伏伏安安特特性性与与二二极极管管基基本本相相同同，只只是是稳稳压压管管正正常常工工作作时是利用特性曲线的反向击穿区。时是利用特性曲线的反向击穿区。电电流流改改变变而而电电压压基基本本不不变变的的特特性性称称为为稳稳压压特特性性，稳稳压压管管就就是是利利用这一特性工作的。用这一特性工作的。UIOUZ IZ UZ IZ IZM（b）阴极阴极阳极阳极（a）稳压管的符号和特性曲线如图所示。稳压管

22、的符号和特性曲线如图所示。第42页，本讲稿共52页稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：(1)稳定电压稳定电压UZ UZ是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。同一型号的管子，稳定电压值有一定的分散性。同一型号的管子，稳定电压值有一定的分散性。(2)稳定电流稳定电流IZ 稳稳定定电电流流IZ是是稳稳压压管管工工作作时时的的参参考考电电流流数数值值，手手册册上上给给出出的的稳稳定定电电压压和和动动态态电电阻阻都都是是指指在在这这个个电电流流下下的值。的值。第43页，本讲稿共52页(3)动态电动态电阻阻rZ rZ是是稳压管管在在稳定定工工作作范范围内内管管子子两两端端

23、电压的的变化量与相化量与相应电流流变化量之比即化量之比即 rZ越小，表示越小，表示稳压作用越好。一个作用越好。一个稳压管管rZ的大小与工的大小与工作作电流有关，工作流有关，工作电流越大，流越大，rZ越小。越小。第44页，本讲稿共52页(4)额额定功耗定功耗PZM PZM是由管子允是由管子允许温升限定的最大功率温升限定的最大功率损耗。耗。(5)电压温度系数电压温度系数 温温度度变变化化1时时，稳稳定定电电压压变变化化的的百百分分数数，定定义义为为电电压压温度系数。它是表示稳压管温度稳定性的参数。温度系数。它是表示稳压管温度稳定性的参数。电压温度系数越小，温度稳定性越好。电压温度系数越小，温度稳定

24、性越好。第45页，本讲稿共52页 如如前前所所述述，PN结结加加反反向向电电压压时时，结结上上呈呈现现势势垒垒电电容容，该该电电容容随随反反向向电电压压绝绝对对值值增增大大而而减减小小。利利用用这这一一特特性性制制作作的的二二极极管管，称称为为变变容容二二极极管管。它它的的主主要要参参数数有有：变变容容指指数数、结结电电容容的的压压控控范范围围及及允允许许的的最大反向电压等。最大反向电压等。2、变容二极管、变容二极管(Capacitance Diode)第46页，本讲稿共52页变容二极管符号变容二极管符号l变容二极管结电容（反向时势垒变容二极管结电容（反向时势垒电容）比较大。电容）比较大。l在

25、高频电路有广泛应用，如电压在高频电路有广泛应用，如电压功率交换、电子调谐、功率调功率交换、电子调谐、功率调制等。制等。第47页，本讲稿共52页光光电电二二极极管管是是一一种种将将光光能能转转换换为为电电能能的的半半导导体体器器件件，其其结结构构与与普普通通二二极极管管相相似似，只只是是管管壳壳上上留留有有一一个个能能入入射射光光线线的的窗窗口口。如如图图示示出出了了光光电电二二极极管管的的电电路路符符号号，其其中中，受受光光照照区区的的电电极极为为前前级级，不不受受光光照照区区的的电电极极为为后级。后级。3、光敏二极管、光敏二极管(Photo Diode)第48页，本讲稿共52页光敏电二极管符

26、号光敏电二极管符号 第49页，本讲稿共52页 发发光光二二极极管管是是一一种种将将电电能能转转换换为为光光能能的的半半导导体体器器件件。它它由由一一个个PN结结构构成成，其其电电路路符符号号如如图图所所示示。当当发发光光二二极极管管正正偏偏时时，注注入入到到N区区和和P区区的的载载流流子子被被复复合合时时，会发出可见光或不可见光。会发出可见光或不可见光。4、发光二极管、发光二极管(Light Emitting Diode)第50页，本讲稿共52页发光二极管符号发光二极管符号l具有具有电电光光转换的性能转换的性能。l可见光有可见光有红、黄、绿、蓝、紫等。红、黄、绿、蓝、紫等。l发光亮度与工作电流成比例。发光亮度与工作电流成比例。l可用于各种指示灯、七段数码灯等。可用于各种指示灯、七段数码灯等。第51页，本讲稿共52页课后思考和练习课后思考和练习万用表的两只表棒与表内电池的连接万用表的两只表棒与表内电池的连接关系是，红表棒接电池正极，黑表棒关系是，红表棒接电池正极，黑表棒接负极。问应该怎样用万用表判别二接负极。问应该怎样用万用表判别二极管的正负极及好坏？极管的正负极及好坏？第52页，本讲稿共52页