模电课件第二章2.pptx

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1、2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.3 半导体二极管半导体二极管2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法2.5 特殊二极管特殊二极管2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性第1页/共40页2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 半导体材料半导体材料 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体第2页/共40页 半导体材料半导体材料 一、物体的导电特性 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体：介于导体与绝缘体之间，如：典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。第3页/共40页二、半导体的特点1

2、、光敏性和热敏性:2、掺杂性：第4页/共40页 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构第5页/共40页 本征半导体本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴空穴共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠相邻空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。现的。第6页/共40页空穴的移动空穴的移动第7页/共40页 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价

3、元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。第8页/共40页 1.N型半导体型半导体 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缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。第9页/共40页 2.P型半导体型半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半

4、导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。第10页/共40页 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质第11页/共40页2.2 PN 结的形成及特性结的形成及特性 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结的反向击穿结的反向击穿 PN结的电容效应结的电容效应第12页/共40页 结的形成结的形成图结的形成第13页/共40页PNPN结的形成结的形成P区N区扩散运动载流子从浓

5、度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡3第14页/共40页 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。第15页/共40页 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使

6、PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时 低电阻 大的正向扩散电流PN结的伏安特性第16页/共40页 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流 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，这个电流也称为反向饱和电流。PN结的伏安特性第17页/共40页 小结：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩

7、散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。第18页/共40页 PN结的单向导电性结的单向导电性(3)PN结V-I 特性表达式其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）第19页/共40页 PN结的反向击穿结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆第20页/共40页2.3 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的参数二极管的参数第

8、21页/共40页 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)(a)点接触型 二极管的结构示意图第22页/共40页(3)平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型(c)(c)平面型(4)二极管的代表符号第23页/共40页半导体二极管图片半导体二极管图片附附 录录第24页/共40页半导体二极管图片半导体二极管

9、图片附附 录录第25页/共40页半导体二极管图片半导体二极管图片附附 录录第26页/共40页 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP102CP10的V V-I I 特性锗二极管2AP152AP15的V V-I I 特性正向特性反向特性反向击穿特性第27页/共40页 二极管的参数二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流I IR R(4)正向压降VF(5)极间电容CB第28页/共40页 应用举例应用举例开关电路电路如图所示，求AO的电压值解：先断开D，以O为基准电位，既O点为0V。则接D阳极的电位为-6

10、V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。第29页/共40页小小 结结 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。具有一系列特殊的性能，如掺杂、光照和温度都可以改变半导体的导电性能。利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。PN结是构成半导体器件的基础，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。第30页/共40页 晶体二极管实际上就是一个PN结，描述二极管的性能 常用二

11、极管的伏安特性，可用二极管的电流方程来描述即二极管两端的电压和流过的电流满足I=Is(e U/UT-1).硅管：当UD0.7V时，二极管导通，导通后，UD=0.7V锗管：当UD0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V 稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。晶体二极管基本用途是整流稳压和限幅。半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电、电光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。小小 结结第31页/共40页2.5 特殊体二极管特殊体二极管 稳压二极管稳压二极管 变容二极管变容二极管 光电子器件光

12、电子器件1.光电二极管光电二极管2.发光二极管发光二极管3.激光二极管激光二极管第32页/共40页稳压二极管稳压二极管1.符号及稳压特性(a)符号(b)伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。第33页/共40页(1)稳定电压VZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。(2)(2)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin2.稳压二极管主要参数稳压二极管稳压二极管第34页/共40页稳压二极管稳压二极管3.稳压电路正常稳压时 VO=VZ#稳压条件是什么？稳压条件是什么？IZmin IZ I

13、Zmax#不加不加R R可以吗？可以吗？#上述电路上述电路V VI I为正弦波，且幅值为正弦波，且幅值大于大于V VZ Z ，V VOO的波形是怎样的？的波形是怎样的？end第35页/共40页特殊类型的二极管特殊类型的二极管 变容二极管二极管利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。符号：注意：使用时，应加反向电压第36页/共40页光光 电电 二二 极极 管管 定义：有光照射时，将有电流产生的二极管 类型：PIN型、PN型、雪崩型 结构：和普通的二极管基本相同 工作原理：利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子空穴对，在外电场的作用下形成光生电流DEDDRLUDIP注意：应在反压状态工作UD=-IPRL第37页/共40页发发 光光 二二 极极 管管 定义：将电能转换成光能的特殊半导体器件，当管子加正向电当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光 常用驱动电路：直流驱动电路交流驱动电路注：在交流驱动电路中，为了避免发光二极管发生反向击穿，通常要加入串联或并联的保护二极管发光二极管只有在加正向电压时才发光第38页/共40页第二章 作业第39页/共40页感谢您的观看。第40页/共40页