模电第二章半导体二极管.ppt

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1、模电第二章半导体二极管1现在学习的是第1页，共67页2.1 半半导体的基本知体的基本知识2.1.1 导体、半体、半导体和体和绝缘体体 自然界中很容易自然界中很容易导电的物的物质称称为导体体，金属一，金属一般都是般都是导体。体。有的物有的物质几乎不几乎不导电，称，称为绝缘体体，如橡皮、，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。陶瓷、塑料和石英。另有一另有一类物物质的的导电特性特性处于于导体和体和绝缘体之体之间，称称为半半导体体，如，如锗、硅、砷化、硅、砷化镓和一些硫化物、和一些硫化物、氧化物等。氧化物等。2现在学习的是第2页，共67页 半导体的导电机理不同于其它物质，所以半导体的导电机理不同于其它物质，所以它

2、具有不同于其它物质的特点。比如：它具有不同于其它物质的特点。比如：当受外界热和光的作用时，它的导电当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，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。会使它的导电能力明显改变。3现在学习的是第3页，共67页2.1.2 本征半导体本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，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。它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi4现在学习的是第4页，共67页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

3、体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体在硅和锗晶体中，原子按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，而四个其点阵，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，每个原子与其相临的原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子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。5现在学习的是第5页，共67页硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构6现在学习的是第6页，共67页硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价

4、电子后的原子7现在学习的是第7页，共67页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键，常温下束缚电子很难脱离共价键成为成为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+48现在学习的是第8

5、页，共67页本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度（度（T=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（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力为能力为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，成为自由自由电子电子，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。9现在学习的是第9页，共67页+4+

6、4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理自由电子空穴束缚电子10现在学习的是第10页，共67页本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子空穴吸引临近的电子来填补，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。11现在学习的是第11页，共67页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存在数量相等的两种载流子，本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即即自由电子自由电子和和空穴空

7、穴。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能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，这是半导体的一大特的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。度。12现在学习的是第12页，共67页2.1.3 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。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其原因是掺杂半导体的某种载流

8、子浓度大大增加。增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为为N型半导体型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为增加的杂质半导体称为P型半导体型半导体（空穴半导（空穴半导体）。体）。13现在学习的是第13页，共67页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（或锑）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杂质取代，磷，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，其中四个与相临的原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出

9、一个电子，这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，很容易被激发而成为自由个电子几乎不受束缚，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。每个磷原子给出一个电子，称为子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。硅或锗硅或锗+少量磷少量磷 N型半导体型半导体14现在学习的是第14页，共67页+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子磷原子15现在学习的是第15页，共67页N型半导体型半导体N型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？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

10、电子，浓度与施主原子相同。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。3、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）。）。16现在学习的是第16页，共67页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，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层

11、有三个价电子，与相临的半导代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。硅或锗硅或锗+少量硼少量硼 P型半导体型半导体17现在学习的是第17页，共67页+4+4+3+4空穴P型半导体型半导体硼原子18现在学习的是第18页，共67页总总 结结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供型半导体中电子是多子，其中大部分

12、是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。2、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。19现在学习的是第19页，共67页杂质半半导体的示意表示法体的示意表示法P型半型半导体体+N型半型半导体体20现在学习的是第20页，共67页2.2 PN结的形成及特性的形成及特性 2.2.1 PN 结的

13、形成的形成在同一片半在同一片半导体基片上，分体基片上，分别制造制造P型型半半导体和体和N型半型半导体，体，经过载流子的流子的扩散，在散，在它它们的交界面的交界面处就形成了就形成了PN结。21现在学习的是第21页，共67页P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运流子的运动22现在学习的是第22页，共67页扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。23现在学习的是第23页，共67页漂

14、移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运流子的运动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，空间电荷区的厚度固定不变。24现在学习的是第24页，共67页+空空间电荷区荷区N型区型区P型区型区电位位VV025现在学习的是第25页，共67页1、空、空间电荷区中没有荷区中没有载流子。流子。2、空、空间电荷区中内荷区中内电场阻碍阻碍P中的空穴、中的空穴、N中的中的电子（子（都是多子都是多子）向）向对方运方运动（扩散散运运动）。）。3、P中的中的电子和子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），数），数量有限，因此由它量有限

15、，因此由它们形成的形成的电流很小。流很小。请注意请注意26现在学习的是第26页，共67页2.2.2 PN结的的单向向导电性性 PN结加上正向加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思的意思都是：都是：P区加正、区加正、N区加区加负电压。PN结加上反向加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都的意思都是：是：P区加区加负、N区加正区加正电压。27现在学习的是第27页，共67页PN结正向偏置正向偏置+内内电场减弱，使减弱，使扩散加散加强，扩散散 漂移，正向漂移，正向电流大流大空空间电荷区荷区变薄薄PN+_正向正向电流流E28现在学习的是第28页，共67页PN结反向偏置反向偏置+空空间电荷区荷区变厚厚NP+_

16、+内内电场加加强，使，使扩散停止，散停止，有少量漂移，反向有少量漂移，反向电流很小流很小反向反向饱和和电流流很小，很小，A级E29现在学习的是第29页，共67页1、PN结加正向电压：结加正向电压：PN结所处的状态称为结所处的状态称为正向导通正向导通，其特点：其特点：PN结正向电流大，结正向电流大，PN结电阻小。结电阻小。相当于开关闭合相当于开关闭合SPN结的单向导电性：结的单向导电性：2、PN结加反向电压：结加反向电压：PN结所处的状态称为结所处的状态称为反向截止反向截止，其特点：其特点：PN结反向电流小，结反向电流小，PN结电阻大。结电阻大。相当于开关打开相当于开关打开第第1章章 1.230

17、现在学习的是第30页，共67页2.3 半半导体二极管体二极管(1)、基本、基本结构构PN结加上管壳和引加上管壳和引线，就成，就成为半半导体二极管。体二极管。PNPN符号符号+阳极阳极-阴极阴极31现在学习的是第31页，共67页PN结面接触型面接触型32现在学习的是第32页，共67页点接触型点接触型引线外壳线触丝线基片33现在学习的是第33页，共67页半导体二极管图片34现在学习的是第34页，共67页35现在学习的是第35页，共67页end36现在学习的是第36页，共67页(2)、伏安特性、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降:硅管硅管0.60.7V

18、,锗管锗管0.20.3V。反向击穿电压反向击穿电压U(BR)37现在学习的是第37页，共67页正向特性：正向特性：二极管加正向电压二极管加正向电压正极正极负极负极+反向特性：反向特性：二极管加反向电压二极管加反向电压正极正极负极负极+对于理想二极管对于理想二极管锗锗 管管正向压降正向压降0.2-0.3V硅硅 管管正向压降正向压降0.5-0.7V38现在学习的是第38页，共67页(3)、主要参数、主要参数（1）最大整流）最大整流电流流 IOM二极管二极管长期使用期使用时，允，允许流流过二极管的最大正向平二极管的最大正向平均均电流。流。（2）反向）反向击穿穿电压VBR二极管反向二极管反向击穿穿时的

19、的电压值。击穿穿时反向反向电流流剧增，二极管的增，二极管的单向向导电性被破坏，甚至性被破坏，甚至过热而而烧坏。坏。手册上手册上给出的最高反向工作出的最高反向工作电压VWRM一般是一般是VBR的一的一半。半。39现在学习的是第39页，共67页（3）反向）反向电流流 IR指二极管加反向峰指二极管加反向峰值工作工作电压时的反向的反向电流。反向流。反向电流大，流大，说明管子的明管子的单向向导电性差，因此反向性差，因此反向电流越小流越小越好。反向越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向流受温度的影响，温度越高反向电流越大。流越大。硅管的反向硅管的反向电流流较小，小，锗管的反向管的反向电流要大几十到几百流

20、要大几十到几百倍。倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要用是主要利用它的利用它的单向向导电性包括整流、限幅、保性包括整流、限幅、保护等。等。40现在学习的是第40页，共67页（4）微）微变电阻阻 rDiDvDIDVDQ iD vDrD是二极管特性曲是二极管特性曲线工工作点作点Q附近附近电压的的变化与化与电流的流的变化之比：化之比：显然，然，rD是是对Q附近的微附近的微小小变化量的化量的电阻。阻。41现在学习的是第41页，共67页（5）二极管的极）二极管的极间电容容二极管的两极之二极管的两极之间有有电容，此容，此电容由两部容由两部分分组成：成：势垒电容

21、容CB和和扩散散电容容CD。势垒区是区是积累空累空间电荷的区域，当荷的区域，当电压变化化时，就会引起，就会引起积累在累在势垒区的空区的空间电荷的荷的变化，化，这样所表所表现出的出的电容是容是势垒电容。容。42现在学习的是第42页，共67页为了形成正向了形成正向电流（流（扩散散电流），注入流），注入P区区的少子（的少子（电子）在子）在P区有区有浓度差，越靠近度差，越靠近PN结浓度越大，即在度越大，即在P区有区有电子的子的积累。同理，在累。同理，在N区有空穴的区有空穴的积累。正向累。正向电流大，流大，积累的累的电荷荷多。多。P+-N这样所所产生的生的电容就是容就是扩散散电容容CD。43现在学习的是

22、第43页，共67页CB在正向和反向偏置在正向和反向偏置时均不能忽略。而反均不能忽略。而反向偏置向偏置时，载流子很少，流子很少，扩散散电容可忽略。容可忽略。PN结高高频小信号小信号时的等效的等效电路：路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd44现在学习的是第44页，共67页 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 1.理想模型理想模型3.折线模型折线模型 2.恒压降模型恒压降模型45现在学习的是第45页，共67页 4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。向特性可以等效成一个微变电阻。即即

23、根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导则则常温下（常温下（T=300K）2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模46现在学习的是第46页，共67页 2.4.2 应用举例应用举例 1.二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析理想模型理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 时时恒压模型恒压模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设（2）VDD=1V 时时（自看）（自看）47现在学习的是第47页，共67页例例2.4.2 提示提示 2.4.2 应用举例应用举例 2.限幅电路限幅电路end48现在学习的是第48页，共67页

24、例例1：二极管整流：二极管整流：死区死区电压=0.5V，正向，正向压降降 0.7V(硅二极管硅二极管)理想二极管：死区理想二极管：死区电压=0，正向，正向压降降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流49现在学习的是第49页，共67页例例2：二极管的：二极管的应用用RRLuiuRuotttuiuRuo50现在学习的是第50页，共67页DE3VRuiuouRuD 例例3：下图是：下图是二极管二极管限幅电路，限幅电路，D为理想二极管，为理想二极管，ui=6 sin t V,E=3V,试画出试画出 uo波形波形。t t ui/V Vuo/V63300 2 2 6uR？51现在学习的

25、是第51页，共67页4、在图所示电路中，在图所示电路中，E=5V、ui=10sin tV，D为理想二极管，试画出输出为理想二极管，试画出输出uO的波形。的波形。DERuiuo t t ui/V Vuo/V105500 2 2 10 52现在学习的是第52页，共67页 t 630 2 例例5：双向限幅电路双向限幅电路 t 033DE3VRDE3VuiuouRuD ui/Vuo/V353现在学习的是第53页，共67页 2.5 稳压二极管二极管IZmax+-稳压二极管符号二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲二极管特性曲线IZmin当当稳压二极管工作在二极管工作在反向反向击穿状穿状态下下,当当工作工

26、作电流流IZ在在Izmax和和 Izmin之之间时,其两端其两端电压近似近似为常数常数正向同正向同二极管二极管稳定定电流流稳定定电压54现在学习的是第54页，共67页 UIUZIZIZmax UZ IZ稳压误差曲曲线越陡，越陡，电压越越稳定。定。55现在学习的是第55页，共67页稳压二极管的参数二极管的参数（1）稳定定电压 UZ（2）电压温度系数温度系数 U（%/）稳压值受温度受温度变化影响的的系数。化影响的的系数。（3）动态电阻阻56现在学习的是第56页，共67页（4）稳定定电流流IZ、最大、最小最大、最小稳定定电流流Izmax、Izmian。（5）最大允）最大允许功耗功耗57现在学习的是第

27、57页，共67页 稳压管稳压电路工作原理稳压管稳压电路工作原理uou2u1RLCRDZiLiZiRiR=iL+iZuo=uZ电网网电压波波动时的的稳压过程：程：uiuoiZuouZiRuRui=uZ+uo58现在学习的是第58页，共67页iR=iL+iZuo=uZ负载波波动时的的稳压过程：程：iLiRuZuoiRuRizuRuou2u1RLCRDZiLiZiRui=uZ+uo59现在学习的是第59页，共67页例：例：稳压二极管的二极管的应用用RLuiuORDZiiziLUZ 稳压二极管技二极管技术数据数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻阻RL=2k，

28、输入入电压ui=12V，限流，限流电阻阻R=200 。若。若负载电阻阻变化范化范围为1.5 k 4 k ，是否，是否还能能稳压？60现在学习的是第60页，共67页RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k)iL=5（mA）i=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k ,iL=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k ,iL=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之之间,所以所以稳压管仍能起管

29、仍能起稳压作用作用61现在学习的是第61页，共67页例题例题1：已知已知ui=10 sin t V,UZ=5.5V（稳压值稳压值），），正正向压降为向压降为0.7V，试画出试画出 uo波形波形。DZUZRuiuouR t t ui/V Vuo/V105.55.500 2 2 0.70.7解：解：IU0UZIminIZmax62现在学习的是第62页，共67页 2、两个稳压管的稳压值分别为两个稳压管的稳压值分别为5.5V和和8.5V，正向压降均为，正向压降均为0.5V、若得、若得到到6V电压，试画出稳压电路。电压，试画出稳压电路。DZ15.5VRuiuoDZ2解：解：0.5V 3、两个稳压管的稳压

30、值分别为两个稳压管的稳压值分别为5.5V和和8.5V，正向压降均为，正向压降均为0.6V、若得到、若得到14V电压，试画出稳压电路。电压，试画出稳压电路。DZ18.5VRuiuoDZ2解：解：5.5V63现在学习的是第63页，共67页 4.稳压管工作在稳压管工作在-状态。状态。（1）正向导通）正向导通（2）反向截止）反向截止（3）反向击穿）反向击穿5.稳压管稳压电路如图所示，其中稳压管稳压电路如图所示，其中UZ1=7V，UZ2=3V，它们的正，它们的正向导通压降为向导通压降为0.7V，其输出电压为，其输出电压为-。DZ1UZ1RuiuoUZ2DZ2（1）0.7V（2）1.7V（3）3V（4）7

31、.7V答案答案（3）答案答案（4）64现在学习的是第64页，共67页4、两个、两个稳压管的管的稳压值分分别为5.5V和和8.5V，正向，正向压降均降均为0.6V、若要得到、若要得到3V电压，试画出画出稳压电路。路。65现在学习的是第65页，共67页 反向反向电流随光照流随光照强度的增加而上升。度的增加而上升。IV照度增加照度增加一、光一、光电二极管二极管66现在学习的是第66页，共67页二、二、发光二极管光二极管有正向有正向电流流流流过时，发出一定波出一定波长范范围的光，目前的的光，目前的发光管可以光管可以发出从出从红外到可外到可见波段的波段的光，它的光，它的电特性与特性与一般二极管一般二极管类似。似。67现在学习的是第67页，共67页