数电半导体二极管精.ppt

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1、数电半导体二极管数电半导体二极管第1页，本讲稿共33页问：梦幻五环由什么材料构成？问：梦幻五环由什么材料构成？问：半导体材料为什么会发光？问：半导体材料为什么会发光？答：发光二极管答：发光二极管(LED)构成，属构成，属于半导体材料。于半导体材料。答：通电后，半导体中的空答：通电后，半导体中的空穴与电子复合，释放能量，穴与电子复合，释放能量，从而发光。从而发光。第2页，本讲稿共33页3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 二极管二极管3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.二极管及其基本电路

2、二极管及其基本电路第3页，本讲稿共33页一、半导体的特性一、半导体的特性 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，分为导体、绝缘的不同，分为导体、绝缘体和半导体。体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。1.1.光敏、热敏特性光敏、热敏特性 2.2.掺杂特性掺杂特性3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识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。如光敏电阻力明显变化。如光敏电阻,热敏电阻热敏电阻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

3、的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。第4页，本讲稿共33页二、本征半导体、空穴及其导电作用二、本征半导体、空穴及其导电作用1.1.结构：以结构：以Si,GeSi,Ge为例为例本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净、结结构构完完整整的的半半导导体体。物物理结构上呈单晶体形态。理结构上呈单晶体形态。硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子个电子称为价电子SiGeGe第5页，本讲稿共33页共价键结构平面示意图共价键结构平面示意图共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束

4、缚电子很难脱离共价键成为自由电束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导子，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。体的导电能力很弱。在硅和锗晶体中，原子按四角形组成晶体点阵，每个在硅和锗晶体中，原子按四角形组成晶体点阵，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，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。一对价电子。2)2)共价键共价键第6页，本讲稿共33页这一现象称为本征激发，也称热激发

5、这一现象称为本征激发，也称热激发自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现一个自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现一个空位，称这个空位为空穴。空位，称这个空位为空穴。空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！3)3)空穴及其导电作用空穴及其导电作用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，成成为为自自由由电子电子。第7页，本讲稿共33页空穴的运动空穴的运动第8页，本讲稿共33页束缚束缚电子电子从从视为视为空穴空穴从从 显然

6、，因热激发而出现的自显然，因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，由电子和空穴是同时成对出现的，称为称为电子空穴电子空穴对。对。半导体中出现两半导体中出现两种载流子种载流子自由电子自由电子 空穴空穴电量相等，极性相反电量相等，极性相反 因共价键中出现空穴，在外加电场因共价键中出现空穴，在外加电场的作用下邻近束缚电子就会填补到这的作用下邻近束缚电子就会填补到这个空位上，而在这个束缚电子原来位个空位上，而在这个束缚电子原来位置又会出现新的空穴，以后其他束缚置又会出现新的空穴，以后其他束缚电子又可转移到这，这样就在共价键电子又可转移到这，这样就在共价键中出现一定的中出现一定的电荷迁移电荷迁移

7、。第9页，本讲稿共33页三、杂质半导体三、杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的某种元素作为杂质，在本征半导体中掺入微量的某种元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。征半导体称为杂质半导体。N N型型(电子电子)半导体半导体掺入五价杂质元素掺入五价杂质元素(如磷如磷)P P型型(空穴空穴)半导体半导体掺入三价杂质元素掺入三价杂质元素(如硼如硼)第10页，本讲稿共33页 因三价杂质原子在与硅原因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，子形成共价键时，缺少缺少一个价一个价电子而在共价键中留下一个电子而在共价键中留下一个

8、空穴空穴。在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子，它主要由掺杂形，它主要由掺杂形成；成；自由电子是少数载流子自由电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。P P为为PositivePositive的字头。的字头。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。因而三。因而三价杂质也称为价杂质也称为受主杂质受主杂质。1)P1)P型半导体型半导体第11页，本讲稿共33页 五价杂质原子中只有四个五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无

9、共价键多余的一个价电子因无共价键束缚而容易形成自由电子。束缚而容易形成自由电子。在在N N型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子，它主要由杂质原子提供；提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由本征激发形成。由本征激发形成。N N为为NegativeNegative的字的字头。头。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，故称为故称为施主杂质施主杂质。2)N2)N型半导体型半导体第12页，本讲稿共33页 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影掺入杂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

10、下响，一些典型的数据如下:T=300 KT=300 K室温下室温下,本征本征SiSi的电子和空穴浓度的电子和空穴浓度:n n=p p=1.410=1.4101010/cm/cm3 31 1 即多子即多子 少子少子 半导体导电能力主要由杂质决定半导体导电能力主要由杂质决定 2 2掺杂后掺杂后 N N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=n=5105101616/cm/cm3 33)3)杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响第13页，本讲稿共33页一、一、PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性1.PN 1.PN 结的形成结的形成3.2 PN3.2 PN结和半导体二极管

11、结和半导体二极管 在本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形分别形成成P P型半导体和型半导体和N N型半导体。型半导体。第14页，本讲稿共33页漂移运动：漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。扩散运动：扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动扩散运动。第15页，本讲稿共33页PN结形成物理过程结形成物理过程第16页，本讲稿共33页因浓度差因浓度差 促使少子漂移促使少子漂移 阻止多子扩散阻止多子扩散 多子的多子的扩散扩散 =少子的少子的漂移漂移 即达到即达到

12、动态平衡动态平衡正负离子不移动而载流子复合形成无载流子的空间正负离子不移动而载流子复合形成无载流子的空间电荷区，所以内电场也称电荷区，所以内电场也称耗尽层、势垒层耗尽层、势垒层。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 PNPN结形成物理过程结形成物理过程 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 0 0方向从方向从N PN P 稳定的稳定的空间电荷区空间电荷区称为称为PNPN结结 第17页，本讲稿共33页2.PN 2.PN 结的单向导电性结的单向导电性(1)PN(1)PN结加正向电压结加正向电压(正偏正偏)当在平衡当在平衡PNPN结外加电压时，如果正端接结

13、外加电压时，如果正端接P P区，负端接区，负端接N N区，称为区，称为加正向（偏置）电压，简称正偏；反之称为加反向（偏置）电加正向（偏置）电压，简称正偏；反之称为加反向（偏置）电压，简称反偏。压，简称反偏。外加的正向电压外加的正向电压E E 有一部分降落在有一部分降落在PNPN结区，方向与内电场结区，方向与内电场0 0 相反，削弱了相反，削弱了内电场内电场,使得多子扩散使得多子扩散 少子漂移。扩少子漂移。扩散电流远大于漂移电流，忽略漂移电流散电流远大于漂移电流，忽略漂移电流的影响，在外电路上形成流入的影响，在外电路上形成流入P P区的电流区的电流I IF F，PNPN结呈现低阻性，也称结呈现低

14、阻性，也称PNPN结导通结导通。多子数目很大多子数目很大 I IF F 很大很大当当E E，多子扩散加剧，多子扩散加剧I IF F 低电阻，低电阻，PNPN结导通结导通 大的正向扩散电流大的正向扩散电流(P-N)(P-N)PNPN结加正向电压结加正向电压第18页，本讲稿共33页 在一定的温度条件下，由本征激发决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，这个电流称为反向饱和电流的大小无关，这个电流称为反向饱和电流I IS S。且且少子数目很少少子数目很

15、少I IS S 很小很小(A(A级级)，PNPN结呈现高阻性，也称结呈现高阻性，也称PNPN结截止结截止。(2)PN(2)PN 结加反向电压结加反向电压(反偏反偏)外加的反向电压外加的反向电压E E有一部分降落在有一部分降落在PNPN结区，方向与结区，方向与PNPN结内电场结内电场0 0方向一致，加强了内电场。内电场对多子扩散起阻碍作用方向一致，加强了内电场。内电场对多子扩散起阻碍作用0 0，而使，而使少子漂移少子漂移反向电流反向电流I IR R 。PNPN结加反向电压结加反向电压 高电阻，高电阻，PNPN结截止结截止 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流(N-P)(N-P)第19页，本讲稿共

16、33页PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；向扩散电流；PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。移电流。结论结论：PNPN结具有单向导电性结具有单向导电性第20页，本讲稿共33页(3)PN(3)PN结结V V-I I 特性表达式特性表达式PNPN结的伏安特性结的伏安特性V VD D为正且为正且V VD DV VT TV VD D为负且为负且V VD DV VT T其中其中I IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温

17、下（T T=300K=300K）n n发射系数，发射系数，1212第21页，本讲稿共33页 (4)PN(4)PN结的电容效应结的电容效应扩散电容扩散电容CD（正偏）（正偏）扩散电容示意图扩散电容示意图 当当PN结处于正向偏置时，扩散运动结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过使多数载流子穿过PN结，在对方区域结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于存储电荷量的大小，取决于PN结上所加结上所加正向电压值的大小。正向电压值的大小。若外加正向电压有一增量若外加正向电压有一增量 V，则，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附相应的空

18、穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量近产生一电荷增量 Q，二者之比，二者之比 Q/V为扩散电容为扩散电容CD。反偏时，扩散电容很小，忽略。反偏时，扩散电容很小，忽略。第22页，本讲稿共33页势垒电容势垒电容C CB B（反偏）（反偏）第23页，本讲稿共33页在在PNPN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。(1)(1)点接触型二极管点接触型二极管 PNPN结面积小，结面积小，结电容小，用于结电容小，用于检波和变频等高检波和变频等高频电路。频电路。二、半导体二极管二、半导体二极管1.1.分类分类二极管按结构分有：点接触型、面接触型和平面型二极管按结构分

19、有：点接触型、面接触型和平面型(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意图第24页，本讲稿共33页(3)(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艺中。制造艺中。PN PN 结面积可结面积可大可小，用于高频整流和大可小，用于高频整流和开关电路中。开关电路中。(2)(2)面接触型二极管面接触型二极管 PNPN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)(4)二极管的代表符号二极管的代表符号D D第25页，本讲稿共33页SiSi二极管的死区电压二极管的死区电压V Vth

20、th=0.5 V=0.5 V左右，左右，GeGe二极管的死区电压二极管的死区电压V Vthth=0.1 V=0.1 V左右。左右。i)i)当当0 0V VV Vthth时，正向电流为零，时，正向电流为零，V Vthth称为死区或门坎电压称为死区或门坎电压当当V V0 0 即处于正向特性区域，正向区又分为两段：即处于正向特性区域，正向区又分为两段：ii)ii)当当V VV Vthth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长，二时，开始出现正向电流，并按指数规律增长，二极管正向导通。极管正向导通。V Vthth2.2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性(1)(1)正向特性正向特性SiSi管正向导通压降

21、约为管正向导通压降约为0.7V0.7V;GeGe管正向导通压降约为管正向导通压降约为0.2V0.2V。第26页，本讲稿共33页SiSi二极管的反向饱和电流二极管的反向饱和电流I IS S 1 V Vthth?是是:D:D导通导通否否:D:D截止截止对于理想对于理想D D，只要，只要V V阳阳 V V阴阴导通导通(且导通后即箝位且导通后即箝位),),否则截否则截止止第29页，本讲稿共33页(3)(3)关于优先导通关于优先导通(V(V阳阳V V阴阴)大的二极管优先导通且箝位大的二极管优先导通且箝位D D2 2:V:V阳阳2 2V V阴阴2 2=6=6v v-(-3-(-3v v)=9)=9v vD

22、 D1 1:V:V阳阳1 1V V阴阴1 1=0=0v v-(-3-(-3v v)=3)=3v vD D2 2优先导通且优先箝位优先导通且优先箝位(短路短路)VVAO AO=6 6v v，D D1 1受反压截止受反压截止例例:?第30页，本讲稿共33页(1)(1)整流整流(半波、全波半波、全波)利用利用D D的单向导电性的单向导电性半波导通半波导通tVViVOViVo(2)(2)限幅限幅(削波削波)单向削波单向削波tV(3)(3)低压稳压低压稳压VD=VthVo(4)(4)开关作用开关作用D D导通导通:开关闭和开关闭和D D截止截止:开关断开开关断开5.5.二极管应用举例二极管应用举例第31

23、页，本讲稿共33页三、特殊二极管三、特殊二极管1.1.光电二极管光电二极管2.2.发光二极管发光二极管其其PNPN结通过管壳上的玻璃窗口接受光照。在反偏状态下运行，反向结通过管壳上的玻璃窗口接受光照。在反偏状态下运行，反向电流随光照强度的增加而上升，与照度成正比。电流随光照强度的增加而上升，与照度成正比。可用来进行光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。可用来进行光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。此管通过电流时将发出光来，是电子与空穴直接复合而放出能量的结此管通过电流时将发出光来，是电子与空穴直接复合而放出能量的结果。使用的材料不同，光的波长不同，从而颜色也不同。果。使用的材料不

24、同，光的波长不同，从而颜色也不同。常作显示器件。也可将电信号转换为光信号，之后经光缆传输，再通过光常作显示器件。也可将电信号转换为光信号，之后经光缆传输，再通过光电二极管再现电信号，实现电信号的传输。电二极管再现电信号，实现电信号的传输。第32页，本讲稿共33页稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管,其其反向击穿反向击穿是可逆是可逆的的,且反向电压较稳定且反向电压较稳定.伏安特性曲线伏安特性曲线U UZ Z表示反向击穿电压，亦即稳压管能表示反向击穿电压，亦即稳压管能稳定的电压。稳定的电压。稳压管的稳压作用在于：在反向击穿状稳压管的稳压作用在于：在反向击穿状态，很大的电流变化量只能引起很小的态，很大的电流变化量只能引起很小的电压变化量。曲线越陡，稳压性能越好。电压变化量。曲线越陡，稳压性能越好。I IZ Z和和I IZMZM表示工作在稳压状态的最小表示工作在稳压状态的最小和最大工作电流。反向电流小于和最大工作电流。反向电流小于I IZ Z时，稳压管在反向截止状态，稳压特性时，稳压管在反向截止状态，稳压特性消失；大于消失；大于I IZMZM时，稳压管可能被烧毁。时，稳压管可能被烧毁。3.3.稳压二极管稳压二极管33第33页，本讲稿共33页