半导体二极管基础知识解读讲课讲稿.ppt

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1、半导体二极管基础知识解半导体二极管基础知识解读读 图1.1半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型 第一章 半导体二极管 本征半导体晶体结构示意图如图1.2所示。由图1.2可见，各原子间整齐而有规则地排列着，使每个原子的4个价电子不仅受所属原子核的吸引，而且还受相邻4个原子核的吸引，每一个价电子都为相邻原子核所共用，形成了稳定的共价键结构。每个原子核最外层等效有8个价电子，由于价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此，本征半导体导电能力较差。但是，如果能从外界获得一定的能量（如光照、温升等），有些价电子就会挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在共价键中留下一个空位，称

2、为“空穴”。空穴的出现使相邻原子的价电子离开它所在的共价键来填补这个空穴，同时，这个共价键又产生了一个新的空穴。这个空穴也会被相邻的价电子填补而产生新的空穴，这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动，并把空穴看成一种带正电荷的载流子。空穴越多，半导体的载流子数目就越多，因此形成的电流就越大。第一章 半导体二极管图1.2 单晶硅的共价键结构第一章 半导体二极管看看这里看看这里 在本征半导体中，空穴与电子是成对出现的，称为电子空穴对。其自由电子和空穴数目总是相等的。本征半导体在温度升高时产生电子空穴对的现象称为本征激发。温度越高，产生的电子空穴对数目就越多，这就是半导体的热敏性。在半导体中

3、存在着自由电子和空穴两种载流子，而导体中只有自由电子这一种载流子，这是半导体与导体的不同之处。1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质元素，就会使半导体的导电性能发生显著改变。根据掺入杂质元素的性质不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。1.P型半导体 P型半导体是在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的3价元素（如硼、铟等）而形成的。因杂质原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少1个电子，因此在晶体中便产生一个空穴，当相邻共价键上的电子受热激发获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键因缺少了一个电子，便形成了空穴，使得

4、整个半导体仍呈中性，如图1.3所示。第一章 半导体二极管图1.3 P型半导体的共价键结构第一章 半导体二极管 在P型半导体中，原来的晶体仍会产生电子空穴对，由于杂质的掺入，使得空穴数目远大于自由电子数目，成为多数载流子(简称多子)，而自由电子则为少数载流子(简称少子)。因而P型半导体以空穴导电为主。2.N型半导体 N型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的5价元素（如磷、砷、镓等）而形成的，杂质原子有5个价电子与周围硅原子结合成共价键时，多出1个价电子，这个多余的价电子易成为自由电子，如图1.4所示。综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效

5、方法。第一章 半导体二极管 图1.4 N型半导体的共价键结构第一章 半导体二极管 1.1.3 PN结及其单向导电性 1.PN结的形成 在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称其为PN结。PN结的形成过程如图1.5所示。第一章 半导体二极管 图1.5 PN结的形成（a）多子扩散示意图；（b）PN结的形成第一章 半导体二极管 2.PN结的单向导电性1）PN结正向偏置导通给PN结加上电压，使电压的正极接P区，负极接N区（即正向连接或正向偏置），如图1.6（a）所示。由于PN结是高阻区，而P区与N区电阻很小，因而外加电压几乎全部落在PN结上。由图

6、可见，外电场将推动P区多子（空穴）向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和，推动N区的多子（电子）向左扩散与原空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，其结果使电路中形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时PN结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。第一章 半导体二极管 图1.6 PN结的单向导电性（a）正向连接;（b）反向连接第一章 半导体二极管看看这里看看这里 2）PN结反向偏置截止将PN结按图1.6（b）所示方式连接（称PN结反向偏置）。由图可见，外电场方向与内电场方向一致，它将N区的多子（电子）从PN结附近拉走，将P区

7、的多子（空穴）从PN结附近拉走，使PN结变厚，呈现出很大的阻值，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以认为PN结截止。综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大；PN结反向偏置时，反向电流很小，这就是PN结的单向导电性。3)PN结的电容效应(1)势垒电容CT。当PN结的外加电压大小变化时，PN结空间电荷区的宽度也随着变化，即电荷量发生变化。这种电荷量随外加电压的变化所形成的电容效应称为势垒电容。势垒电容通常用CT表示。CT不是一个常数，它随外加电压的变化而变化。利用势垒电容可以制成变容二极管。第一章 半导体二极管 (2)扩散电容C

8、D。扩散电容是PN结在正向偏置时，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。扩散电容通常用CD表示。PN结的结电容Cj包含两部分，即Cj=CT+CD。一般情况，PN结正偏时，扩散电容起主要作用，即Cj=CD;PN结反偏时，势垒电容起主要作用，即Cj=CT。2半导体二极管2.2.1半导体二极管的结构、符号及类型 1结构符号二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图1.7所示,在图1.7(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通电流方向。第一章 半导体二极管第一章 半导体二极管 图1.7 二极管结构、符号及外形举例 (a)结构；(b)符号 图1.7 二极管结构、符号及外形举例 (c)外形第一章 半导

9、体二极管 2类型 (1)按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。(2)按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管。(3)按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。(4）按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。(5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。1.2.2 半导体二极管的特性 1.伏安特性 根据制造材料的不同，二极管可分为硅、锗两大类。相应的伏安特性也分为两类。图1.8（a）所示为硅二极管的伏安特性;图1.8（b）所示为锗二极管的伏安特性。现以图1.8（a）所示硅二极管为例来分析二极管的伏安特性。第一章 半导体二极管 图1.8 二极管的伏安特

10、性 （a）硅二极管2CP6;第一章 半导体二极管 图1.8 二极管的伏安特性 （b）锗二极管2AP15第一章 半导体二极管1）正向特性OA段：称为“死区”。AB段：称为正向导通区。2）反向特性OD段：称为反向截止区。这时二极管呈现很高的电阻，在电路中相当于一个断开的开关，呈截止状态。DE段：称为反向击穿区。当反向电压增加到一定值时，反向电流急剧加大，这种现象称为反向击穿。发生击穿时所加的电压称为反向击穿电压，记做B。这时电压的微小变化会引起电流很大的变化，表现出很好的恒压特性。同样，若对反向击穿后的电流不加以限制，结也会因过热而烧坏，这种情况称为热击穿。第一章 半导体二极管2.温度特性温度对二

11、极管伏安特性的影响如图1.9所示。(1)当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动。这是因为温度升高时，扩散运动加强，产生同一正向电流所需的压降减小的缘故。(2)当温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动。这是因为温度升高，本征激发加强，半导体中少子数目增多，在同一反向电压下，漂移电流增大的缘故。(3)当温度升高时，反向击穿电压减小。击穿现象是由于大的反向电流使少数载流子获得很大的动能，当它与结内的原子发生碰撞时，产生了很多的电子空穴对，使结内载流子数目急剧增加，并在反向电压作用下形成很大的反向电流。因此温度升高时，反向击穿电压减小。综上所述，温度升高时，二极管的导通压降F降低，反向击穿电压B

12、减小，反向饱和电流IS增大。第一章 半导体二极管图1.9 温度对二极管伏安特性的影响第一章 半导体二极管2.3半导体二极管的主要参数二极管的参数是定量描述二极管性能的质量指标，只有正确理解这些参数的意义，才能合理、正确地使用二极管。1.最大整流电流IF最大整流电流是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结时要引起管子发热。电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。例如2AP1最大整流电流为16mA。2.反向击穿电压UB反向击穿电压是指反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，使二极管的单向导电性被破坏，甚至会因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的

13、一半，以确保管子安全工作。例如2AP1最高反向工作电压规定为20V，而实际反向击穿电压可大于40V。第一章 半导体二极管 3.反向饱和电流IS 在室温下，二极管未击穿时的反向电流值称为反向饱和电流。该电流越小，管子的单向导电性能就越好。由于温度升高，反向电流会急剧增加，因而在使用二极管时要注意环境温度的影响。二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号管子的参数。在使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则管子容易损坏。1.4 特殊二极管前面主要讨论了普通二极管,另外还有一些特殊用途的二极管,如稳压二极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管等,现介

14、绍如下。1稳压二极管 1）稳压二极管的工作特性 稳压二极管简称稳压管,它的特性曲线和符号如图1.20所示。第一章 半导体二极管看看这里看看这里 图1.20稳压二极管的特性曲线和符号 (a)伏安特性曲线；(b)符号第一章 半导体二极管(b)看看这里看看这里 2）稳压二极管的主要参数（1）稳定电压UZ。稳定电压UZ即反向击穿电压。(2)稳定电流IZ。稳定电流IZ是指稳压管工作至稳压状态时流过的电流。当稳压管稳定电流小于最小稳定电流IZmax时,没有稳定作用;大于最大稳定电流IZmax时,管子因过流而损坏。2发光二极管发光二极管与普通二极管一样,也是由PN结构成的,同样具有单向导电性,但在正向导通时

15、能发光,所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件。电路符号如图1.24所示。图1.2.4 发光二极管电路符号第一章 半导体二极管1）普通发光二极管普通发光二极管工作在正偏状态。检测发光二极管,一般用万用表R10k()挡,方法和普通二极管一样,一般正向电阻15k左右,反向电阻为无穷大。2）红外线发光二极管红外线发光二极管工作在正偏状态。用万用表R1k()挡检测,若正向阻值在30k左右,反向为无穷大,则表明正常,否则红外线发光二极管性能变差或损坏。3）激光二极管根据内部构造和原理,判断激光二极管好坏的方法是通过测试激光二极管的正、反向电阻来确定好坏。若正向电阻为2030k,反向电阻为无穷大,说明正常,否则,要么激光二极管老化,要么损坏。第一章 半导体二极管3光电二极管光电二极管工作在反偏状态,它的管壳上有一个玻璃窗口，以便接受光照。光电二极管的检测方法和普通二极管的一样,通常正向电阻为几千欧,反向电阻为无穷大。否则光电二极管质量变差或损坏。当受到光线照射时,反向电阻显著变化,正向电阻不变。电路符号如图1.25所示。第一章 半导体二极管图1.2.5 光电二极管电路符号结束结束