第4章半导体二极管及其应用.pptx

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1、半导体的结构特点现代电子学中，用得最多的半导体是硅和锗，它们的最外层都电子（价电子）都是四个。n它们的最外层电子既不像导体那样容易挣脱原子核的束缚成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚很紧，内部没有自由电子，所以半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。第1页/共49页一、本征半导体本征半导体就是纯净半导体。本征半导体中的四价元素是靠共价键结合成分子的。半导体包括本征半导体和杂质半导体共价键共用电子对硅和锗的共价键结构第2页/共49页共价键具有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。在硅和锗晶体中，每个原子都处于正四面体的中心，其它原子处在四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子间形成共价键。第3

2、页/共49页本征激发和两种载流子在常温下，本征半导体内部仅有极少数的价电子可以在热运动的激发下，挣脱原子核的束缚而成为晶格中的自由电子，与此同时，在共价键中将留下一个带正电的空位子，称为空穴。自由电子束缚电子空穴第4页/共49页热运动激发所产生的电子和空穴总是成对出现的，称为电子-空穴对。本征半导体因热运动而产生电子-空穴对的现象称为本征激发。在外加电场力的作用下，自由电子的移动形成一个与自由电子移动方向相反的电流。外加电场力空穴的移动可以看成是自由电子定向依次填充空穴而形成的，形成与空穴运动方向相同的空穴电流。第5页/共49页半导体内部同时存在着自由电子和空穴移动所形成的电流是半导体导电方式

3、的最大特点，也是半导体与金属导体在导电机理上本质的差别。在电子技术中把参与导电的物质称为载流子。本征半导体中有两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。第6页/共49页温度越高，由本征激发所产生的电子-空穴对越多，本征半导体内部载流子的浓度也越高，本征半导体的导电能力就越强，这就是半导体导电能力受温度影响的直接原因。本征半导体本征激发的现象还与原子的结构有关，硅的最外层电子离原子核较锗的最外层电子近，所以硅最外层电子受原子核的束缚力较锗的强，本征激发现象比较弱，热稳定性比锗好。第7页/共49页第8页/共49页二、杂质半导体 半导体的导电能

4、力除了与温度有关外，还与半导体内部所含的杂质有关。在本征半导体中掺入微量的杂质，可以使杂质半导体的导电能力得到改善，并受所掺杂质的类型和浓度控制，使半导体获得重要的用途。由于掺入半导体中的杂质不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两大类。第9页/共49页1、N型半导体在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量的五价元素，如磷（P）。五价元素的四个价电子与硅（或锗）原子组成共价键后、将多余一个价电子。这一多余的电子不受共价键的束缚，容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。于是，半导体中自由电子的数量剧增。多余电子磷原子每个磷原子给出一个电子，故称为施主原子。第10页/共49页N型半导体中的载流子是什么

5、？（1）由施主原子提供的电子，数目与施主原子相同；（2）本征激发成对产生的电子和空穴。由于掺入杂质使自由电子数目大大增加，所以在N型半导体中，自由电子数目远大于空穴数目。电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子)。N型半导体主要靠自由电子导电，在本征半导体中掺入的杂质越多，所产生的自由电子数也越多，杂质半导体的导电能力就越强。第11页/共49页2、P型半导体在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量的三价元素，如硼（B）。三价元素的3个价电子与硅（或锗）原子组成共价键后、将产生一个空位。空位硼原子 这一空位容易被邻近的自由电子填补，产生一个空穴。于是，半导体中空穴的数量剧增。空穴每个硼

6、原子接受一个电子，故称为受主原子。第12页/共49页P型半导体中的载流子是什么？（1）由于受主原子而产生的空穴，数目与受主原子相同；（2）本征激发成对产生的电子和空穴。由于掺入杂质使数目空穴大大增加，所以在P型半导体中，空穴数目远大于自由电子数目。空穴为多数载流子（简称多子），电子为少数载流子（简称少子)。P型半导体主要靠空穴导电，在本征半导体中掺入的杂质越多，所产生的空穴数也越多，杂质半导体的导电能力就越强。第13页/共49页三、PN结利用特殊的掺杂工艺，可以在一块晶片的两边分别生成N型和P型半导体，在两者的交界处将形成PN结。P型半导体N型型半导体扩散运动漂移运动内电场E空间电荷区（扩散使

7、空间电荷区加宽）（漂移使空间电荷区变薄）1、PN结的形成 当参与扩散的多数载流子和参与漂移的少数载流子在数目上相等时，空间电荷区内电荷的数目将达到一个动态的平衡，并形成PN结。第14页/共49页第15页/共49页2、PN结的单向导电性（1）外加正向电压-正向偏置(P接+,N接-)内电场E内外电场E外E外削弱E内,空间电荷区变窄,扩散大大超过漂移,形成较大的正向电流,呈现比较小的电阻。I第16页/共49页（2）外加反向电压-反向偏置(P接-,N接+)E外增强E内,空间电荷区变厚,阻碍扩散,促进少子的漂移形成微小的反向电流S,呈现较大的电阻,S称为反向饱和电流。外电场E外内电场E内归纳PN结的单向

8、导电性表现为:正偏导通,反偏截止第17页/共49页3、PN结的电流方程当PN结外加电压为u，产生电流 i，若它们的参考方向关联，并且P为+,N为-，则电流方程为：UT称为温度电压当量，在T=300K的常温下，温度电压当量UT26mV。其中q为电子电量，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。非线性元件 第18页/共49页4、PN结的伏-安特性曲线当PN结外加正向电压uUT时，ISn 当PN结外加反向电压|u|UT时，1可忽略，式中的负号也说明了反向偏置时电流的方向与正向偏置时电流的方向相反。，i-IS，UBRPN结的反向击穿有雪崩击穿和齐钠击穿两种，当掺杂溶度比较高时，击穿通常为齐纳击穿；当掺杂溶度

9、比较低时，击穿通常为雪崩击穿。无论那种击穿，若对电流不加限制，都可能造成PN结的永久性损坏。第19页/共49页4.2 半导体二极管 一、结构与符号:有玻璃外壳,塑料外壳,金属外壳,里面是一个PN结,引出到外面有两个电极,P为+极,N为 极图形符号是:文字符号是:VD,或者D+-二、伏安特性:1、二极管开启电压Uth硅管为0.5V，锗管为0.2VUonUth2、二极管导通电压Uon硅管为0.50.7V，锗管为0.20.3V第20页/共49页-左移th减小增加下降第21页/共49页4.2.3 二极管的主要参数(1)最大整流电流IF 指二极管长期工作时允许流过的正向平均电流的最大值。这是二极管的重要

10、参数，使用中不允许超过此值。对于大功率二极管，由于电流较大，为了降低PN结的温度，提高管子的带负载能力，通常将管子安装在规定的散热器上使用。(2)反向工作峰值电压UR 反向工作峰值电压UR是二极管工作时允许外加反向电压的最大值。通常UR为二极管反向击穿电压UBR的一半。第22页/共49页(3)反向峰值电流IR 反向峰值电流IR是二圾管未击穿时的反向电流。IR愈小，二极管的单向导电性愈好。(4)最高工作频率fM 最高工作频率fM是二极管工作时的上限频率，超过此值，由于二极管结电容的作用，二极管将不能很好的实现单向导电性。第23页/共49页4.2.4 二极管极性的简易判别法利用万用表的R100，或

11、R1K档测量。数字万用表的红表笔插在“+”插孔上，相当于红表笔与万用表内电池的负极相连，黑表笔与万用表内电池的正极相连。反向电阻要比正向电阻大得多。(1)当万用表的黑表笔接至二极管阳极，红表笔接至阴极时，二极管处在正向偏置，测得电阻很小；(2)当万用表的黑表笔接至二极管阴极，红表笔接至阳极时，二极管处在反向偏置，测得电阻很大。第24页/共49页模拟万用表的红表笔插在“+”插孔上，相当于红表笔与万用表内电池的正极相连，黑表笔与万用表内电池的负极相连。第25页/共49页二极管正向特性的数学模型1、理想模型理想的开关2、恒压模型其正向压降为0.7V(硅管)4.2.5 二极管的等效电路ii理想二极管+

12、电压源第26页/共49页3、折线模型：认为二极管的正向压降不是恒定的，而是随通过二极管电流的增加而增加。例如：二极管的Uth=0.5V当 i=1mA时，uD=0.7V 则注意：不同二极管的rD和Uth是不一样的i理想二极管+电压电源+动态电阻第27页/共49页模型分析法应用举例（1）使用理想模型得：uD=0ViD=VDD/R（2）使用恒压模型得：uD=0.7ViD=（VDD-VD）/R+-uDVDDRDiD图3.16（3）使用折线模型得：uD=Vth+iDrDiD=（VDD-Vth）/（R+rD）VDDVD时，使用恒压模型较好VDD较低时，使用折线模型较合理根据实际情况选择合适的模型是关键第2

13、8页/共49页4.3 二极管的应用 4.3.1二极管整流电路1、半波整流 二极管正半周导通负半周截止第29页/共49页2、桥式整流（全波整流）+-+-正半周负半周第30页/共49页3、倍压整流:-u2+u1u2uo+-2u2-u2+-2u2+-+-2u2+-2u2+第31页/共49页4、限幅电路(1)当uiUS时，作用：让信号在预置的电平范围内有选择地传输一部分(2)当uiUS时，VD导通，uo=0.7VD截止，uo=ui若VD导通压降可忽略第32页/共49页第33页/共49页第34页/共49页第35页/共49页例:求Uab=?先得判断VD1、VD2导通或者截止第36页/共49页5、开关电路应

14、用：高速开关，逻辑电路 vA vB v0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1其逻辑关系如下表：第37页/共49页第38页/共49页第39页/共49页第40页/共49页（3）额定功耗PZM 额定功耗PZM等于稳压管的稳定电压VZ与最大稳定电流IZM的乘积，稳压管的功耗超过此值时，会因PN结温度过高而损坏。（4）动态电阻rd 动态电阻rd是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与电流变化量的比，即UZ/IZ，rd愈小，电流变化时UZ的变化愈小，即稳压管的稳压特性愈好。（5）温度系数 温度系数表示温度每变化1时，稳压管稳压值的变化量。稳压管的稳定电压小于4V的管子具有负温度系数（属于齐纳击穿

15、），即温度升高时稳定电压值下降；稳定电压大于7V的管子具有正温度系数（属于雪崩击穿），即温度升高时稳定电压值上升；而稳定电压在47V之间的管子，温度系数非常小，齐纳击穿和雪崩击穿均有，互相补偿，温度系数近似为零。第41页/共49页第42页/共49页第43页/共49页限流电阻R的选择：1、当Io=Iomin、Vi=Vimax 时 要求：2、当Io=Iomax、Vi=Vimin 时 要求：故R的取值范围为：RDZRLV0ViIRIZI0+-第44页/共49页 例4-2如图所示电路，Vi=10V，波动的幅度为10%，UZ=6V，IZmin=5mA，IZM=30mA，RL的变化范围是600，求限流电阻

16、R的取值范围。RDZRLV0ViIRIZI0+-解：因为输入电压变化的幅度是10%，所以输入电压的最大值为11V，最小值为9V；RL的变化范围是600，则Iomin=0mA，Iomax=10mA根据公式得即第45页/共49页1、光电二极管 光电二极管的结构与PN结二极管类似，但在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。利用IR随光照强度而变化的特性，主要应用于光电转换和光测量。工作条件：反向偏置三、其它类型的二极管 第46页/共49页2、发光二极管3、激光二极管 用砷化镓和磷化镓制成的，当这种管子通以电流时将发出光来，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。主要用于电光转换、显示和指示等。在LED的结间置一层光活性半导体而形成光谐振腔，经光谐振从结上激发出单波长的光激光。主要用作光通信的光源，IT和AV设备的光源。第47页/共49页 结电容随反向电压的增加而减少，这种效应显著的二极管称为变容二极管。主要应用于高频电路中。4、变容二极管第48页/共49页感谢您的观看！第49页/共49页