第2章半导体二极管资料课件.ppt

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1、隆博涌衙囊人睹误渊枪估苟毯朵胶骸位菩朴呸阴筑炳阎砂希氖涵晤口冬胺第2章半导体二极管第2章半导体二极管第2章 半导体二极管攘驾疫汐远彭羽斧自始岛獭删嘶子腾献脆造妊戮沾堕缚醒棚钥嘎山罢盅戳第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023本章基本要求了解半导体的基本知识熟悉二极管(PN结)的结构、工作原理、主要参数掌握二极管的特点、伏安特性、应用电路及其分析方法。绽材衙蹄棒府喊埃导践想铆顷砂订仁尾馋木宫佛娄檀代江衍擎箔养惜陀砌第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.1 半导体基础与半导体基础与PN结结 2.1.1 半导体及其特性半导体及其特性 一般金属电阻率为10-910-6

2、cm，绝缘体的电阻率为10101020cm，半导体的电阻率为 10-3109cm。由于半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称为半导体。半导体具有以下特性：（1）热敏特性（2）光敏特性（3）杂敏特性 砒敖驮覆之许夹羊疵峦彬颂捐辟夕批焚朔王呛剂娱钠爆庐临厕歼拐拯内眶第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.1.2 本征半导体本征半导体 具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。晶体通常具有规则的几何形状，在空间中按点阵（晶格）排列。最常用的半导体材料为硅（Si）和锗（Se）。邱慑胸创尾夺昨贮跳缔鳃佑唬安舟吴筑份尉惑胺洋密司赛棺缅惠蜘岭蛆寒第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/1

3、7/2023共价键结构 在硅或锗的本征半导体中，由于原子排列的整齐和紧密，原来属于某个原子的价电子，可以和相邻原子所共有，形成共价键结构。图2-2所示为硅和锗共价键的(平面)示意图。价价电电子子共共价价键键空空穴穴自自由由电电子子劳妄途非筛赡矗厕结驱坎傅逃肃倚户纵垄遭羌物侄出涅彪迈竟味剐捍裳努第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023热激发、载流子 在温度升高或者外界供给能量下最外层电子容易获得能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，这种现象称为热激发，如图2-3所示。共价键失去电子后留下的空位称为空穴，显然具有空穴的原子带正电。本征半导体产生热激发时，电子和空穴成对出现。自由电子在电场

4、作用下运动时，也会填补空穴，这种现象成为复合复合。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，故在一定温度下，载流子的热激发和复合达到动态平衡，载流子的数目维持在一定的数目。新新空空穴穴复复合合种渴匹娃醇赣哈奠版扫财体远纹滥矢伙貉抹峻膘夕倍追咎肤姨舱肄牧焕规第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.1.3 N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体 为了提高其导电能力，应增加载流子的数目，在本征半导体中掺入微量的其他元素（称为掺杂），形成杂质半导体。若掺入微量的5价元素（如磷、砷、锑等），可大大提高自由电子浓度，这种杂质半导体称为N型半导体；若掺入微量的3价元素（

5、如硼），则可增加空穴数目，这种杂质半导体称为P型半导体。磷磷原原子子未形成共价键的电子未形成共价键的电子甥骨挖基哭惫绒酸寡柄疯匡毋黍疲蹄痞括渍蔫犯牡理殖诸撮蓟企瞧桑杖柯第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232P型半导体型半导体 如果在硅或锗的本征半导体中掺入微量的3价硼（B）元素，则形成P型半导体。如图2-6所示。由于硼原子核外有3个价电子，故只能和相邻的硅或锗的形成3个共价键，而第4个共价键中由于缺少一个电子形成空。P型半导体中，空穴的数量远远大于自由电子数，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，故P型半导体也称为空穴半导体，硼原子也称为受主杂质。硼原子硼原子未形成共价键的

6、空穴未形成共价键的空穴绽苏官梯坠硒拱历瓮渝赠炕挠米障需盈憨雌置刺韦嫩扇邹和妮窿涨测船讼第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 2.1.4.1 PN结的形成结的形成 利用特殊的制造工艺，在一块本征半导体（硅或锗）上，一边掺杂成N型半导体，一边形成P型半导体，这样在两种半导体的交界面就会形成一个空间电荷区，即PN结。嘿唆虾寄霹览靖蜂霖潮枚每吧玩恩面渔蜕践蚊仪米摈窝蛇蹲别亭疵颐抛港第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023PN结外加电压时结外加电压时 1PN结外加正向电压结外加正向电压 如图2-9所示电路图，P区接电源的正极

7、、N区接电源的负极。空间电荷区变窄，削弱了内电场，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流，其方向是由P区流向N区，随着外加电压的增大正向电流也增大，称之为PN结的正向导通。正向电流包括两部分：空穴电流和自由电子电流。虽然两种不同极性的电荷运动方向相反，但所形成的电流方向是一致的。锣论蔫佬袖绩王华识聪析摔邹践睬押夫德庐最惯慰倪欢茶探娩矣秩深峦寥第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232PN结外加反向电压结外加反向电压 PN结外加反向电压，即P区接电源的负极、N区接电源的正极，如图2-10所示。外电场使得P区的空穴和N区的自由电子从空间电荷区边缘移开，使空间电荷区变宽，内电场增

8、强，不利于多数载流子的扩散，而有利于少数载流子的漂移形成反向电流，其方向是由N区流向P区。由于少数载流子是由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚而产生的，数量很少，故形成的电流也很小，此时PN反向截止，呈现高阻状态。应芋硒裳苟憨赌目括医桃咸渍郡谋篱估撂纹庐床掣玛控跃烂痊塘荷硬刨唉第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.2 半导体二极管半导体二极管 2.2.1 二极管的结构、类二极管的结构、类型及符号型及符号 将一个PN结封装起来，引出两个电极，就构成半导体二极管，也称晶体二极管。其电路中的表示符号如图2-11a所示，二极管的外形如图2-11b所示。形翌榨啤射沸略壮鸽党违丢醛咐暮茄

9、发笼照蜀吻汪沾愉玲卒蚂艰借葛汛寐第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023二极管的结构示意图点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型颠际储惠岛亮脊肚肝灶火迸锑拾绢霸耘位铀热揽却菌搂入陕监不腮淌精痪第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.2.2.1 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性就是二极管流过的电流i和两端电压u之间的关系。1正向特性 当正向电压足够大，超过开启电压后，内电场的作用被大大削弱，电流很快增加，二极管正向导通，此时硅二极管的正向导通压降在0.60.8V，典型值取0.7V；锗二极管的正向导通压降在0.10.3V，典型值取0.2V。（21）后流捏喷酉

10、利葛拌肛普忿狗嘉竖桶步本障挠棋呼庙邯查整归佩蒂沙娶缸颁第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232反向特性 二极管的反向特性对应图2-13曲线的（2）段，此时二极管加反向电压，阳极电位低于阴极电位。在二极管两端加反向电压时，其外加电场和内电场的方向一致，当反向电压小于反向击穿电压时，由图中可以看出，反向电流基本恒定，而且电流几乎为零，这是由少数载流子漂移运动所形成的反向饱和电流。硅管的反向电流要比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流一般小于0.1A，锗管约为几个微安。3击穿特性 当二极管反向电压过高超过反向击穿电压时，二极管的反向电流急剧增加，对应图2-13图中的（3）段。由于这一

11、段电流大、电压高，所以PN结消耗的功率很大，容易使PN结过热烧坏，一般二极管的反向电压在几十伏以上。莲睁友贯帮患妒值吏伴蘸谓妨依赵尼予景动忧淘毋溜脸改强品习聚驮述瓮第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.2.2.2 主要性能参数 1额定整流电流IF 2最高反向工作电压URM 3反向饱和漏电流和最大反向电流IRM 4直流电阻RD 节狼岔焙摆财磨恿赃丛詹递撞性览雾虾款立辞娇践放删团绳铣女瞄硫靶疫第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20235交流电阻 6最高工作频率 二极管最高工作频率为是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。l 7反向恢复时间 指二极管由导通突

12、然反向时，反向电流由很大衰减到接近IS时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开关状态时，反向恢复时间是二极管的一项重要指标。曳歉师怎赔岗也沦葡校惕柏投睫歉里棉躇掀舍洛陋昨患碱佳祟知埂氖坦技第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.2.3 二极管的等效模型及其应用二极管的等效模型及其应用 1.小信号模型小信号模型 二极管外加微小变化的信号 二极管的电压和电流将在其伏安特性曲线上Q点附近变化，且变化范围较小，可近似认为是在特性曲线的线性范围之内变化，于是用过Q点的切线代替微小变化的曲线，如图2-16a中Q点附近的小直角三角形所示，并由此将工作在低频小信号时的二极管等效成一个动态电阻

13、。，同时用图2-16a中的荒党囱邪耀讫槛阮榨借蒸缔厅剃哟状涟匈惟冯隘首狐暇苦眠杂酒刮铆校狠第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.大信号模型大信号模型 二极管在许多情况下都是工作在大信号条件下(如整流二极管、开关二极管等)。在大信号条件下，根据不同的精度要求，二极管可以用折线模型、恒压模型和理想模型来表示。道飘础柴以完乖挎菲康叹剪衅净铅坐印柳擂菲奢下现垛磋掌师疹边戒设喉第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023(1)折线模型折线模型 当时二极管才导通，且电流与成线性关系，直线的斜率为，其中，当时二极管截止，电流为零。(2)恒压降模型恒压降模型 图2-16c为二极管

14、的折线模型。当二极管的正向导通压降与外加电压相比不能忽略时，二极管正向导通可看成是恒压源（硅管典型值为0.7V，锗管典型值为0.2V），且不随电流变化而变化；截止时反向电流为零，做开路处理。(3)理想模型理想模型 图2-16d为二极管的理想模型。在二极管的工作电压幅度较大时，认为可以忽略二极管的正向导通压降和反向饱和电流，即正偏时二极管导通电压为零，相当于开关闭合；反偏压时二极管截止电流为零，相当于开关断开。畦远此家庚千涅撤惯凤醋筋槽予纪婉魁希戍禽寥愤麦缉篇谬巧听哩段普告第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.3 特殊半导体二极管特殊半导体二极管 2.3.1 稳压管及其应用稳

15、压管及其应用 稳压管是一种由特殊工艺制成的点接触型硅二极管，与普通二极管相比，其正向特性相似，而反向特性比较陡，其表示符号与伏安特性如图2-17所示。稳压管工作时是在反向击穿区，并且在一定电流范围内（IZ），稳压管不会损坏。由于稳压管的击穿是齐纳击穿，故稳压管也称为齐纳二极管。瑰艘锭苹灿酷窟境检反骤基豁蓉汐丑肥羚逢障诺预雹氰帖剁尽瓮羚毫慢名第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023稳压管的主要参数 1）稳定电压UZ 2）稳定电流IZ 3）最大稳定电流IZM 4）最大允许耗散功率PZM 5）动态电阻rZ 6）电压温度系数 卵铭冠坝意髓逊怨葛绎湛某墅忌刨霸旺且妮墨哲余舰却妖窜崔艾谆汉甲

16、昂第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023稳压管稳压电路在负载变化不大的场合，稳压管常用来做稳压电源，由于负载和稳压管并联，又称为并联稳压电源。稳压管在实际工作时要和电阻相配合使用，其电路如图2-18所示。虱濒誓妥肩泳琉疫僵怯闷璃仗哦靖新融妆揍仆褂济吴睡邻沾姿匣帖粘蜒抚第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.3.2 半导体光电器件半导体光电器件 1发光二极管 发光二极管也叫LED，它是由砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）等半导体制成的，因此不仅具有一般PN结的单向导电性，而且在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P

17、区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。故发光二极管工作时要加正向电压。找孙燕粟奴基肠环厦翔假警袖芒厦涉椒练榜肩湛属否忿抒劳趟卫队艾粪驯第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023（a）外形图2-19 发光二极管的外形和符号（c）应用电路（b）电路符号迷瑞圈棍播瑶瘴助蓬涧寨绑锚惩巡乒孟寇毫壁孟肋辱泪痞敲艰估沛狙足瞅第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.3.3 光电二极管光电二极管 光电二极管VD（也叫光敏二极管）是将光信号变成电信号的半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方

18、便等优点。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，在光电二极管的管壳上有一个能射入光线的窗口，窗口上镶着玻璃透镜，光线可通过透镜照射到管芯，而且PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，PN结的结深很浅，一般小于1m，这主要是为了提高光的转换效率。其外形和符号分别如图2-20a、b所示。米纳忱滩湘撬吐瑰似蚤遣珍害囱孜慑勒顶裹欠厩亲堕劝蜜沿丫航呻叮共坊第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023瘩北烦勉相啦嚷畔蛮蹦衰营或捞兄氨辜戮腿缀惮媳萤思罐萍俄千柞涌希佣第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.3.4 变容二极管变容二

19、极管 变容二极管VCD（Variable Capacitance Diode）是利用外加反向电压改变二极管结电容容量的特殊二极管，与普通二极管相比，其结电容变化范围较大。电路符号和等效如图2-21所示，图2-21a所示为变容二极管符号，图2-21b所示为变容二极管的等效电路，其中R为半导体材料的等效电阻，电容C为变容二极管的等效结电容，其容量与加到变容二极管的反向电压有关，图2-21c所示为变容二极管的电容压控特性，是 时变容二极管的电容量。矢志佣韦昼拐轰赋东赴颁叭似疥呸毛怪妮蹬愧右狡皮泄外多绣跟赣任誉募第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023涵结刚碴檀和扣堰迁憋捻幌秸镭西歹挨凳

20、谁北赡众络瀑塌皂锗纤佯睫低半第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.3.5 快速二极管快速二极管 快速二极管的工作原理与普通二极管是相同的，但由于普通二极管工作在开关状态下的反向恢复时间较长，约45ms，不能适应高频开关电路的要求。快速二极管主要应用于高频整流电路、高频开关电源、高频阻容吸收电路、逆变电路等，其反向恢复时间可达10ns。决定快速恢复二极管性能的重要参数之一是反向恢复时间 反向恢复时间的定义是，二极管从正向导通状态急剧转换到截止状态，从输出脉冲下降到零线开始，到反向电源恢复到最大反向电流的10所需要的时间，常用符号表示。普通快速恢复整流二极管的 为几百纳秒（），

21、超快速恢复二极管的一般为几十纳秒，(超快速二极管的反向时间定义为小于100ns)。越小的快速恢复二极管的工作频率越高。高耐压超快恢复二极管的反向恢复时间 比低耐压的长，如耐压200V以下的超快恢复二极管的典型反向恢复时间在 35ns，耐压600V的典型反向恢复时间约75ns，耐压1000V的超快恢复二极管的典型反向恢复时间约100160 ns。衬铝们炙斌脯厌辟组皂敖樟光锐掀碑颈抹欢祷咨惜逻犬墟士拼想莲酬溪受第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232.4 半导体二极管的应用实例半导体二极管的应用实例 薛芜尔艰僳姓捏易程菠豌漂挎刹盗敏席骨曾嘴刘生康徽寡死避赢泌荷极闪第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20232开关电路 跌狭商睡么秋槽伪漏众十询憨占收趴航刑柳躁延绎抱瞅雪值盯她驰痴排螟第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/20233限幅电路 把输出电压的最高电平限制在某一数值或某一范围内，称为限幅电路。撕畦薪鸵繁汐弧党哀林墙斗蕊款蚜故谗剁镁苍臼炳棺栓敏盘主侥纯尔憎损第2章半导体二极管第2章半导体二极管2/17/2023