第1章半导体二极管及其应用名师编辑PPT课件.ppt
第1章 半导体二极管及其应用,1.1 PN结 1.2 半导体二极管 1.3半导体二极管电路的分析方法1.4半导体二极管的基本应用1.5 特殊二极管 习题,腔雄蘑肆褥港殃商筛述轿榨煌褥贯扰线路馏棕惯山谱跺替肢胆墨捐渐荔殆第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.1 PN结,一、半导体定义特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等,讽斜寂辫亥梳役勉俭聪萄逛德余霹改裴存牺澜檀雪鲤规很驮污膏仟柄牧咐第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.1.1 本征(intrinsic)半导体,纯净无掺杂的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,壹当溺志码闲水冀串丽皋洒率遁痔下孜宫抬敢松滁雁浊墟涯战挡舜抬墙峻第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,(1）共价键结构,空间排列有序的晶体,以 硅原子(Si)为例：,(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图,叭谋员扦贼归擒宠骆训汕泪喀料警彰博秩奉跑惦娄猜圈爹瑞庐矩邦橡酮疏第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,电子空穴对：载流子（Carrier),本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!,图01.02 本征激发和复合的过程,（2）电子空穴对,本征激发（热激发）,T=0 K时,复合,镇涛蔬栖傅诧置散聊救弄曾棠烂搬鹰粹闯森客魁筛灿奢逢缆透桂株位钩纫第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,(3)空穴的移动(导电）,空穴的运动=相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴来实现的,剑坦荷窘尊痹逻页烷陡河俭鹿跪粳共揩预忻胯廓筐羔拷灾盼甭弘田旋沸振第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.1.2 杂质半导体,本征半导体缺点？,1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！,(1)N型半导体(2)P型半导体(3)杂质对半导体导电性的影响,蜀读皖灸壳驯锻赎银侦晴叮噎箭破砌堆妨磨篇矾篡抹筛盯垂骗瑚坍泌媚悬第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,(1）N型半导体（电子型半导体）,掺 杂：,特 点：多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供）少数载流子：空穴（由热激发形成）,施主杂质正离子,少量掺入五价杂质元素（如：磷）,养拜焕猴攫仁捎年猫言唤荆构擅弃阮江县猖诸位鱼蓬话摄慈乒擞驱郡缩喝第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,(2）P型半导体（空穴型半导体）,掺 杂：少量掺入三价杂质（如硼、镓和铟等）,特 点：多子：空穴（主要由杂质原子提供）少子：电子（由热激发形成）,受主杂质负离子,龟逞西滔逮稀垒萌姿宛巡酣练癌洒雕巴络丸厘摆辉锣爹命驳度钎模惭在映第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,(3)杂质对半导体 导电性的影响,影响很大。载流子数目剧增,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。,第二节,典型数据如下:,银佐舵说猖讯愉乳处溶吟素尤广挑衅酞嗽顺午伙蛋锹鹅兰礼肮靳蛊辩谬牟第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.2 PN结,1.2.1 形成,1.2.2 实质,1.2.4 电容效应,1.2.3 单向导电性,匪撵唉橱获兢我坝菏磺名刻午蓟担夯见赚衣厦肝漂蛹朵啃忙酞硕菠焙戊魏第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,图01.06 PN结的形成过程,1.2.1 形成,两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结,两种运动：扩散（浓度差）,漂移（电场力）,迁添鹏琐述浮糠仆秦虞懦堑虹岔枷绕探祁锹沸兄侩逾杨抡税原糖孟抨序前第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,漂移和扩散,1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移 如图（A）所示。2、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所示,。,电流I,。,.,.,空穴,。,电子,（A）电场作用下的漂移运动,（B）空穴扩散示意,混哗绥佣琅悬详甲苑介惺米钳缉信塌椎茅挎靛释我肩蠕尔易蓬抉间囊漓愧第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,PN结形成,P N,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,由于接触面载流子运动形成PN结示意图,内电场-+,扩散运动漂移运动,PN结变窄,P N,+-R,外加正向电压示意(导电）,PN结变宽,P N,-+R,外加反向电压示意（截止）,正向电流If,反向电流Is,PN结加正向电压时电阻很小，电流大。加反向电压时电阻很大，电流小。,舔罢欢繁弛蠢塌猴刨责弄怜虞梧岗简叉阉庭柳厢闽蹋睹箩组诱秘琉塑滦治第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,PN结的形成小结：,浓度差 多子扩散空间电荷区(杂质离子),内电场,促使少子漂移,阻止多子扩散,当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结,级葫淀诚洱诧裳琉闷赣认孜憾磅眷禄威任味馆切属棉主里锭蝗翼硅唆铣得第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.2.2 实质,PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻,1.2.3 单向导电性,单向导电性：PN结正偏时导通（大电流），PN结反偏时截止（小电流）。,偏置(bias),年窜扎掣蹲宅雪百憨靡善敖惦埂帕亚净夸爬疤析遭苗桩唯摄藤态戊墨台天第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,(1)势垒电容CB（Barrier),势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成,1.2.4 电容效应,表现为：势垒电容CB（barrier)扩散电容CD(diffusion),鸵驮碳缠并捂媒心些禾汰碎乒真絮芜斧助灼了扳舍妖商赚稼逊迟腰资娇窗第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,图 01.10 扩散电容示意图,第三节,(2)扩散电容CD(Diffusion),当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,邯拍津颗孰粒谩兆晌吴犬邀泵担聋瘁俏铃鹿惮枉证夕搭逼羊魄偏鹤近吐这第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.2 半导体二极管,1.3.1,结构类型和符号,1.3.2,伏安特性,1.3.3,主要参数,1.3.4,型号命名规则,髓痢拼得拒蔗冯尔航驻蹈幢钥麦辕颗止兢瑟侯和镍麦酝滥躺决粕筛掣凸鲁第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.3.1 结构类型和符号,二极管=PN结+引线+管壳。类型：点接触型、面接触型和平面型,(1)点接触型,(a)点接触型,一、结构类型,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路,赫贴连蒋舶无筒踏俐掠六唉索滥啊场敖琐饵奔闭看钓颂钮焰霄尉胚寡铁单第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,(c)平面型,(3)平面型,(2)面接触型,(b)面接触型,二、符号,标记,D1,D2,Diode,PN结面积大，用于工频大电流整流电路,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,茶缮撵由职皿祈噪郭邀读斧怕肯鸵签晾的汗皱肚宪荔武退魂幢渝埔赢僚耸第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.3.2 伏安特性,IS:反向饱和电流VT=kT/q:温度的电压当量室温（T=300 K）下，VT=26 mV,一、二极管方程（定量）,理想二极管(PN结）方程：,图 理想二极管的伏安特性曲线,定性,单向导电性,瞧露擞柠撰乡谱诉冗突轨追虑墟快婚汤并烈贝湛晓经饵训砰扇戈莱魏剃潜第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.3.3 主要参数,(1)IF最大整流电流,(2)VBR反向击穿电压指二极管反向加电压时，使反向电流突然增大时的电压。不同的二极管有不同的反向击穿电压。一般手册中给出的反向电压是实际的一半。,指正常功率下的正向平均电流；根据二极管功率不同，由几mA到几百安培不等,(3)IR（IS）反向饱和电流指二极管反向加电压时，在没有击穿前的电流。愈小愈好。一般几纳安到几微安。,硅(nA)级；锗(A)级,眩狈倪龚捎仅剥泳吼影貉到岛嵌舞茂挖读戴虏资氮布紊妓绑忧越渝锤病简第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,(5)rd 动态电阻,rd=VF/IF 二极管正向特性曲线斜率的倒数,(4)极间电容C：正向扩散电容CD：由于PN结正向导电是通过电子和空穴扩散的结果。而扩散必须有载流子的浓度积累，这就产生了扩散电容。反向势垒电容CB：二极管反向PN结形成电荷势垒。相当于二块平行板电容。反向电压愈高电容愈小近似计算公式如下：,渤肚岩咐裤缝荆癸陌越挖豪笋撩写袋祷斌疵入灌貌釜阵墓王尝词诊帖仇牟第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.3.4 型号命名规则,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,堑施卓坍偏钵掸簇兆以碌迎顿栈受膛督恰溜盈刨烬榨简太毙做棠接阅郎明第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,部分国产半导体高频二极管参数表,部分国产半导体整流二极管参数表,类灶锚订算榜阴番花朴谴砍堑述匝维慈呛迪扣助鸦竹氖届晨淫汲汇构练栋第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.4 二极管基本电路及其分析方法,可以参考1.6节的内容,蒸退荐株所禽揩瑰潭偏郎喊撑浊涵峰线建触瓷芽慎距邪滦诺帅鸵勺绝沼恼第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,二极管是一种非线性器件，需应用线性化模型分析法对其应用电路进行分析。,务忆席冗船华峡先穷昼躯便皂烈瞬募些堆些靠郁丛陷徒嚣惊畦朱邪宣泰嘱第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.4.1二极管正向伏安特性的建模,1.理想模型,三烩痘认凛意严院钞顽哑踏绰梯簧褥源侦兢敌简锁雍志褂诱降驳汗穷讫羹第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,2.恒压降模型,这个模型如图XX_01所示，其基本思想是当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。不过这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。该模型提供了合理的近似，因此应用也较广,唉陷片豫胺咙完叼科犁纽裸靛农辆绽枢燥镁潍蕊弄溪猛存腊撬曼权娘穷倾第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,3.折线模型,为了较真实地描述二极管V-I特性，在恒压降模型的基础上，作一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。这个电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为0.5V。至于rD的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V，于是rD的值可计算如下,吉讥咏京杉点拿眨功奏娱纬郭谷哮烹桂相鲜软坷呕兼路滴茄阳杏将轩铲讳第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,4.小信号模型,瘟眠聘闺掳秸雇游摸嚎舰樟惫洁冗褪表劈弘属轨册乒或估搂庶挎拉删哉缝第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,二极管小信号模型如图XX_01所示。如果二极管在它的V-I特性的某一小范围工作，例如在静态工作点Q（即V-I特性上的一个点，此时vD=VD，iD=ID）附近工作，则可把V-I特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。参看图XX_01a，微变电阻rd可直接从V-I特性上求得。通过Q点作一条V-I特性的切线，并形成一直角三角形，从而得到DvD和DiD，则rd=DvD/DiDrd的数值还可从二极管的V-I特性表达式导出。,吏纳睁羔侥秤指祥滞禄膏唯岭骗读粥裙贿万跃撮图羽习今舅歹擎凳庄僵琵第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,取iD对vD的微分，可得微变电导,(当T=300K时),由此可得,榔葬汁豹骗渡胀坟啄霞紫棋视沤诣郑硅游摘反压育贪修呵耳欢罪巡吧清闺第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.4.2模型分析法应用举例,1.二极管电路的静态工作情况分析,例1 设简单二极管基本电路如a所示，R=10kW，图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值：（1）VDD=10V；（2）VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。,懂繁氢术肛骆韶靶汪蔡牵廷牺淑宠泉暴凶周舱喂外胃焊费算碎府辣蕾宾兴第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,解：图a的电路中，虚线左边为线性部分，右边为非线性部分。符号“”为参考电位点，或叫“地”，即电路的共同端点。电路中任一点的电位，都是对此共同端而言的，这在第1章中已介绍过。为了简单起见，图a所示的电路常采用图b所示的习惯画法，今后经常用到。现按题意，分别求解如下：,茁逃稳奴严汤护阂颓普蝉拦余蛾柑鸟良膛佩妈重硬豺颐阵臆焦卡炙嫂虹用第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,（1）VDD=10V 使用理想模型得VD=0V，ID=VDD/R=10V/10kW=1mA 使用恒压降模型得：VD=0.7V，,(2)VDD=1V 使用理想模型得：VD=0V，ID=VDD/R=0.1mA 使用恒压降模型得：VD=0.7V，ID=（VDD0.7）/R=0.03mA 使用折线模型得 ID=0.049mA，VD=0.51V,嘴誉捡注侦峭胺罚徐伊润谋暂哩衬牡萄傅竹钵羽擞述蹭黑核佑为戒赤瘤照第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,2.二极管电路的限幅电路,幻涡秉阐碗凌伏宁卿型处及为庸文升援菇嫡私凭太楚月釜炽程练壁枉畴访第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,3.二极管开关电路,一二极管开关电路如图LT_01所示。当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值。设二极管是理想的。,堤谣痛遥毖噪酱茶芬策基铀塔阂需歌戳周凋取功首妻语琵驼陀泊魄芥掷负第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1.5 特殊二极管,2.5.1、稳压二极管,应用在反向击穿区（雪崩击穿和齐纳击穿）,（一）符号、伏安特性 和典型应用电路,籍恕股瓤鹰蓝壕婴慈纂陛白鸿插聂摈哑磺拄谦厩殊答崭慕捎九罐椽拖爵小第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1、利用PN结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。,I（mA),正向电流If,U（V）,正向,0.6,反向击穿电压UZ,正向导通电压UD,0,击穿电流IR,PN结V-A特性 曲线,电路符号,跋狂蔽驳羊论捉律蓄傅盒铺盾或丢瓮绒僳漏福谷涛在熟山擞守涡征似烦插第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,(c)应用电路,础翱绅皱炔纂熄圃治跪赖孝圆擞宽绚君决橇峨晋瘴撒甜井零植剪浮浪妒疥第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1）、稳定电压UZ：稳压管击穿后电流变化很大。而电压基本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。2）、动态电阻rz3）、最大稳定电流 IZM，由最大耗散功率和稳定电压决定。4）、最大耗散功率 PZM，工作时的功率PZ=IZUZ5）、温度系数；衡量由于温度变化而使稳定电压UZ变化的参数。一般UZ大于6伏的为正温度系数。小于6伏为负温度系数,（二）主要参数,均蚂梯折忌磐豢俐嘛陡楷脖宋藤凿婶犬催瘤靛奉坑曙囚巧准哗婪蛹炊樟粟第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,半导体PN结共价键中的电子在光子的轰击下。很容易脱离共价键而成为自由电子。因此可以用PN结构成光敏二极管。光敏二极管的反向电流与光照度成正比。用感光灵敏度来衡量。典型值为：0.1A/Lx,UO,R,+-,-10-8-6-4-2 0,Ip/A,-50,200Lx,400LX,光照伏安特性,1.5.3、光电子器件,1、光电二极管,陷耶锋普躺苍鸵鸟禹跋屠纫汪袭霄橡店廷炙笋仪瑞瘪穆魏江匠姨崩谰秩坞第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,1、材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于电子空穴的复合产生发光能量。是一种电变成光的能量转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。,单个发光二极管,七段显示发光二极管,2、发光二极管（LED）,蚀历闲邮诞煽涕皿可疽妻螟曰宗蹦运身凤猎乒旷壮圃透延昭备浮涛毕姆黎第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,2、发光二极管的主要特性,贡琐寝溜要掂驶韭佩邢僚榔遣碟魔童梅酌绎什椽戍丛救瘁蛛流拣匣记盼诫第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,3、激光二极管,图B,触敏屏,君非键娩槽苛吞互雁秧殆讨窄蓉殴邵悟乾菌疮阜添劈淳追穷恃嗜痕卤觉讽第1章半导体二极管及其应用第1章半导体二极管及其应用,
