级管知识,中英文版.ppt

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1、二极管知識簡介Diode Introduction製作人:伍麗紅Nov.28th內容大綱內容大綱:1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 1.2 PN 结及半导体二极管结及半导体二极管 1.3 特殊二极管特殊二极管半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一些硫化物、氧化物等。导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，

2、称为绝缘体绝缘体，如橡皮，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。、陶瓷、塑料和石英。1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。1.1.2 本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点现代电子

3、学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。电子（价电子）都是四个。圖中圖中,實線圓表示位於原子中心的原子核實線圓表示位於原子中心的原子核;虛線圓上的黑點表虛線圓上的黑點表示核外按層次排布的電子示核外按層次排布的電子;虛線圓表示電子圍繞原子核運動的虛線圓表示電子圍繞原子核運動的軌跡軌跡.原子核與電子都帶電原子核與電子都帶電.電子帶負電電子帶負電,原子核帶正電原子核帶正電.本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按

4、四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构体结构：通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构+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共价键共共价键共用电子对用电子对形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成

5、稳定结构。八个，构成稳定结构。+4+4+4+4共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成则排列，形成晶体晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。以本征半导体的导电能力很弱。SMT類類DIP類類二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴在绝对在绝对0度度（T=

6、0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力），它的导电能力为为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电自由电子子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。+4+4+4+4束缚电子束缚电子自自由由电电子子 空穴空穴2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中

7、存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。+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。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。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

8、子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，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导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。1.1.3 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半

9、导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为

10、自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？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，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。自由电子称为自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载多数载

11、流子流子（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）。）。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如鋁鋁（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，取代，鋁鋁原子的最外层有三个价电子，与相邻的原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得使得鋁鋁原子成为不能移动原子成为不能移动的带负电的离子。由于

12、的带负电的离子。由于鋁鋁原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。+4+4+3+4鋁鋁原子原子空穴空穴1.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管2.1.1 PN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 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动

13、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，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。电位电位VV0+P型区型区空间电荷空间电荷区区N型区型区 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。间电荷区的厚度固定不变。2.1.2 PN结的单向导电性结的单向导电性一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场被

14、削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。+RE变薄变薄PN外电场外电场内电场内电场+_二、二、PN 结反向偏置结反向偏置变厚变厚+PNRE+_内电场内电场外电场外电场内电场被被加强，多内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子子漂移加强，但少子数量有限，只能形成数量有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。2.1.3 半导体二极管半导体二极管一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN

15、结结面接触型面接触型二极管的电路符号：二极管的电路符号：PN 二、伏安特性二、伏安特性UfIf导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V反向击穿反向击穿电压电压UBR 二极管的伏安特二极管的伏安特性也就是性也就是PN 结的结的伏安特性。把二极伏安特性。把二极管的电流随外加偏管的电流随外加偏置电压的变化规律，置电压的变化规律，称为二极管的伏安称为二极管的伏安特性，以曲线的形特性，以曲线的形式描绘出来，就是式描绘出来，就是伏安特性曲线。如伏安特性曲线。如圖圖1所示所示:I IR RU UR R(圖圖 1)Is 当当U Uf

16、f0 0时，时，I If f0 0，PNPN结处于平衡状态，即结处于平衡状态，即图图1 1中的坐标原点。当中的坐标原点。当U Uf f开始增加时，即正向特开始增加时，即正向特性的起始部分。由于此时性的起始部分。由于此时U Uf f较小较小,外电场还不足外电场还不足以克服以克服PNPN结的内电场，正向扩散电流仍几乎为零。结的内电场，正向扩散电流仍几乎为零。只有当只有当U Uf f大于死区电压（锗管约大于死区电压（锗管约0.1 V0.1 V，硅管约，硅管约0.5 V0.5 V）后，外加电场才足以克服内电场，使扩散）后，外加电场才足以克服内电场，使扩散运动迅速增加，才开始产生正向电流运动迅速增加，才

17、开始产生正向电流I If f。1 1）正向特性）正向特性外加正偏电压外加正偏电压U Uf f2 2）反向特性）反向特性外加反向偏压外加反向偏压U UR R 当外加反向偏压时，宏观电流是由少子组成的当外加反向偏压时，宏观电流是由少子组成的反向漂移电流。当反向电压反向漂移电流。当反向电压U UR R在一定范围内变化时，在一定范围内变化时，反向电流反向电流I IR R几乎不变，所以又称为反向饱和电流几乎不变，所以又称为反向饱和电流I IS S。当温度升高时，少子数目增加，所以当温度升高时，少子数目增加，所以I IS S增加。室温增加。室温下一般硅管的反向饱和电流小于下一般硅管的反向饱和电流小于1 1

18、 AA，锗管为几，锗管为几十到几百微安十到几百微安。3 3）击穿特性）击穿特性外加反压增大到一定程度外加反压增大到一定程度 击穿特性属于反向特性的特殊部分。当击穿特性属于反向特性的特殊部分。当U UR R 继续增继续增大，并超过某一特定电压值时，反向电流将急剧增大，并超过某一特定电压值时，反向电流将急剧增大，这种现象称之为击穿。发生击穿时的大，这种现象称之为击穿。发生击穿时的U UR R 叫击穿叫击穿电压电压U UBRBR。如果。如果PNPN结击穿时的反向电流过大（比如没结击穿时的反向电流过大（比如没有串接限流电阻等原因），使有串接限流电阻等原因），使PNPN结的温度超过结的温度超过PNPN结

19、结的允许结温（硅的允许结温（硅PNPN结约为结约为150150200 200，锗，锗PNPN结约为结约为7575100 100）时，）时，PNPN结将因过热而损坏。结将因过热而损坏。三三.一些重要的极限參數一些重要的极限參數(Absolute Maximum Ratings)2 2.最大整流电流最大整流电流 I IO O指二极管在一定温度下，长期允许通过的最大正向平均指二极管在一定温度下，长期允许通过的最大正向平均电流，否则会使二极管因过热而损坏。电流，否则会使二极管因过热而损坏。1.1.峰值反向電壓峰值反向電壓U URMRM二极管反向工作時允許外加的最高電壓二极管反向工作時允許外加的最高電壓

20、.在任何瞬間都不允許在任何瞬間都不允許超過這個值超過這個值。3.3.正向電流正向電流I IF F在一定晶體溫度下的最大正向恆定電流在一定晶體溫度下的最大正向恆定電流(直流電流值或有效值直流電流值或有效值)。4.4.週期峰值電流週期峰值電流 I IFRMFRM能週期性重複的最大允許峰值電流能週期性重複的最大允許峰值電流.5.5.脈衝電流脈衝電流 I IFSMFSM 電流導通時間小於電流導通時間小於1S時的脈衝電流最大值時的脈衝電流最大值.6.6.耗散功率耗散功率P Ptottot最大允許的總耗散功率最大允許的總耗散功率.7.7.耗盡層溫度耗盡層溫度T Tj j或或j j晶體在耗盡層範圍內所允許的

21、最高溫度晶體在耗盡層範圍內所允許的最高溫度.8.8.儲存溫度範圍儲存溫度範圍T TS S或或S S二极管必須在這個溫度範圍內存放二极管必須在這個溫度範圍內存放.二极管不能用在工作二极管不能用在工作狀態範圍以內及以外的其它溫度狀態範圍以內及以外的其它溫度,否則便會損壞否則便會損壞.四四、一些重要的特徵參數一些重要的特徵參數(Electrical Characteristics)在一定正向電流下的正向電壓在一定正向電流下的正向電壓UF在一定反向電壓和溫度下的反向電流在一定反向電壓和溫度下的反向電流IR在一定反向電壓下的耗盡層電容在一定反向電壓下的耗盡層電容C在一定條件下的反向延遲時間在一定條件下的

22、反向延遲時間trr耗盡層與周圍空氣之間的熱阻耗盡層與周圍空氣之間的熱阻RthU1.3 特殊二极管特殊二极管1.3.1 1.3.1 開關二极管開關二极管(Switching Diode,Schottky Diode)在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用，因为二极管具有单向导电性，可以相当于一个使用，因为二极管具有单向导电性，可以相当于一个受外加偏置电压控制的无触点开关。受外加偏置电压控制的无触点开关。如图如图2所示，为监测发电机组工作的某种仪表的部分所示，为监测发电机组工作的某种仪表的部分电路。其中电路。其中Us是需要定期通过二极管是需要定

23、期通过二极管VD加入记忆电路加入记忆电路的信号，的信号，Ui为控制信号。为控制信号。当控制信号当控制信号Ui=10 V时，时，VD的负极电位被抬高，二极管的负极电位被抬高，二极管截止，相当于截止，相当于“开关断开开关断开”，Us不能通过不能通过VD；当；当Ui=0V时，时，VD正偏导通，正偏导通，Us可以通过可以通过VD加入记忆电路。此时二极加入记忆电路。此时二极管相当于管相当于“开关闭合开关闭合”情况。这样，二极管情况。这样，二极管VD就在信号就在信号Ui的控制下，实现了接通或关断的控制下，实现了接通或关断Us信号的作用。信号的作用。圖圖 2極限參數和特徵參數極限參數和特徵參數:1.反向電壓

24、反向電壓UR2.正向電流正向電流IF重要的極限參數有重要的極限參數有:3.耗散功率耗散功率Ptot重要的特徵參數有重要的特徵參數有:1.正向恢復時間正向恢復時間Tfr:又稱接通時間又稱接通時間,它是消除耗盡層所需的時間它是消除耗盡層所需的時間.2.反向恢復時間反向恢復時間Trr:又稱斷開時間又稱斷開時間,它是耗盡層形成的時間它是耗盡層形成的時間.3.電容電容Cj4.反向電流反向電流IR1.3.2 稳压二极管稳压二极管(Zener)稳压二极管简称稳压管，是一种用特殊工艺制稳压二极管简称稳压管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，可以稳定地工作于造的面结型硅半导体二极管，可以稳定地工作于击

25、穿区而不损坏。稳压二极管的外形、内部结构击穿区而不损坏。稳压二极管的外形、内部结构均与普通二极管相似，其电路符号、伏安特性曲均与普通二极管相似，其电路符号、伏安特性曲线如下图所示。线如下图所示。+-IUUZIZminIZmax UZ IZ曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。动态电阻：动态电阻：rz越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。稳压二极管的参数稳压二极管的参数:1 1）稳定电压）稳定电压U UZ Z UZ就是稳压管的反向击穿电压，它的大小取决于制造时的掺杂就是稳压管的反向击穿电压，它的大小取决于制造时的掺杂浓度。浓度。2）最小稳定电流）最小稳定电流IZmin 稳压管正常工作时的

26、最小电流值定义为最小稳定电流，记为稳压管正常工作时的最小电流值定义为最小稳定电流，记为IZmin，一般在几毫安以上。稳压管正常工作时的电流应大于，一般在几毫安以上。稳压管正常工作时的电流应大于IZmin，以保证稳压效果。，以保证稳压效果。3）最大稳定电流）最大稳定电流IZmax和最大耗散功率和最大耗散功率PZM 稳压管允许流过的最大电流和最大功耗叫做最大稳定电流稳压管允许流过的最大电流和最大功耗叫做最大稳定电流IZmax和最大耗散功率和最大耗散功率PZM。通过管子的电流太大，会使管子内。通过管子的电流太大，会使管子内部的功耗增大，结温上升而烧坏管子，所以稳压管正常工作时部的功耗增大，结温上升而

27、烧坏管子，所以稳压管正常工作时的电流和功耗不应超过这两个极限参数。一般有的电流和功耗不应超过这两个极限参数。一般有:PZM=UZIZmax4 4）动态电阻）动态电阻r rz z 稳压管反向击穿时的动态电阻，定义为电流变化量稳压管反向击穿时的动态电阻，定义为电流变化量IZ引起的引起的稳定电压变化量稳定电压变化量UZ。动态电阻是反映稳压二极管稳压性能好坏的重要参数动态电阻是反映稳压二极管稳压性能好坏的重要参数,rz越小，越小，反向击穿区曲线越陡，稳压效果就越好。反向击穿区曲线越陡，稳压效果就越好。5 5）稳定电压）稳定电压U UZ Z的温度系数的温度系数K K 稳定电压稳定电压UZ的温度系数的温度

28、系数K定义为温度变化定义为温度变化1 引起的稳定电压引起的稳定电压UZ的相对变化量，即的相对变化量，即:稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例稳压管的技术参数稳压管的技术参数:uoiZDZRiLiuiRL 负载电负载电阻阻RL=2K。要求当输入电压由正常值发生要求当输入电压由正常值发生 20%波动波动时，负载电压基本不变。时，负载电压基本不变。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的的正常值。正常值。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为流为Izmax。方程方程1令令输入电压降到下限时，输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为流过稳压管的电

29、流为Izmin。uoiZDZRiLiuiRL方程方程2联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：1.3.3 发光二极管发光二极管(LED)发光二极管属于电光转换器件发光二极管属于电光转换器件的一种，是可以将电能直接转换的一种，是可以将电能直接转换成光能的半导体器件，简称成光能的半导体器件，简称“LED”，是英文，是英文 Light Emitting Diode的缩写，其电路符号如图的缩写，其电路符号如图3所示。所示。图图3 一一.发光二极管具有单向导电性：当外加反偏电压时，发光二极管具有单向导电性：当外加反偏电压时，二极管截止，不发光；当外加正偏电压导通时，因流二极管截止，不发光；当外加正偏电

30、压导通时，因流过正向电流而发光。过正向电流而发光。二二.发光机理是由于正偏时电子与空穴复合并释放出发光机理是由于正偏时电子与空穴复合并释放出能量所致，而颜色与发光二极管的材料和掺杂元素有能量所致，而颜色与发光二极管的材料和掺杂元素有关。关。三三.发光二极管可以分为发不可见光和发可见光两种。发光二极管可以分为发不可见光和发可见光两种。前者有发红外光的砷化镓发光二极管等前者有发红外光的砷化镓发光二极管等;后者有发红后者有发红光、黄光、绿光以及蓝光和紫光的发光二极管等。光、黄光、绿光以及蓝光和紫光的发光二极管等。VBR:崩潰崩潰電壓電壓電氣特性電氣特性測試項目測試項目說明說明:二極體二極體一般二極體一般二極體穩壓二極體穩壓二極體LED1.VF:正向電壓正向電壓 (IF:正向電流正向電流)2.IR:反向電流反向電流(VR:反向電壓反向電壓)1.VZ:齊納電壓齊納電壓1.VF:正向電壓正向電壓 2.IF:正向電流正向電流3.發光顏色發光顏色2.Ir:反向電流反向電流