西安交大模电课件第1章半导体二极管及其应用

1、1.1.1 PN结的形成,1 半导体二极管及其应用,1.1 PN结,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。,最常用的半导体材料：,物体根据其导电能力（电阻率）分,原子结构示意图,平面结构,立体结构,1. 本征半导体,本征半导体就是完全纯净的半导体。,共价键,价电子,本征激发产生电子和空穴,自由电子,空穴,电子、空穴成对产生,电子、空穴成对产生,电子、空穴成对复合,电子和空穴的产生过程动画演示,本征激发使空穴和自由电子成对产生。,相遇复合时，又成对消失。,小结：,空穴浓度（np)=电子浓度(nn),温度T一定时,np nn=K(T),K(T)与温度有关的常数,在外电场作用下,价电子填补空穴而使空穴移动，形成空穴电流,1) 在半导体中有两种载流子,这就是半导体和金属导电原理的 本质区别。,a. 电阻率大。,2) 本征半导体的特点：,b. 导电性能随温度变化大。,小结：,本征半导体不能在半导体器件中直接使用,2掺杂半导体,在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体。,根据掺杂的不同，杂质半导体分为,（1）N型半导体,掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体。,掺入少量五价杂质

2、元素磷,多出一个电子,出现了一个正离子,半导体中产生了大量的自由电子和正离子,N型半导体的形成过程,c. 电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流子，简称少子。,e. 因电子带负电，称这种半导体为N(negative)型或电子型半导体。,f. 掺入的杂质能给出电子，称为施主杂质。,a. N型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质元素形成的。,b. N型半导体产生了大量的(自由）电子和正离子。,小结：,d. np nn=K(T),(2) P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等:,出现了一个空位,出现了一个空穴,出现了一个负离子。,半导体中产生了大量的空穴和负离子,P型半导体的形成过程,c. 空穴是多数载流子,电子是少数载流子。,e. 因空穴带正电，称这种半导体为p(positive)型或空穴型半导体。,f. 掺入的杂质能接受电子，称为受主杂质。,a. P型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价杂质元素形成的。,b. P型半导体产生大量的空穴和负离子。,小结：,d. np nn=K(T),当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型转型为P型；,杂质半导体的转型：,当掺入

3、五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转型为N型,N P,掺入三价元素,掺入五价元素,小 结,小 结,多子电子,少子空穴,P型电子密度空穴密度 ,多子空穴,少子电子,本征激发仍存在,多子数目取决于掺杂多少； 少子数目主要取决于温度。,注意：半导体中正负电荷总数相等，宏观呈电中性！,N型电子密度空穴密度 ,以N型半导体为基片,通过半导体扩散工艺,3. PN结的形成,使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区,（1）在浓度差的作用下，电子从 N区P向区扩散,在浓度差的作用下，空穴从 P区向N区扩散,在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子,小结：,PN结,空间电荷层,形成内电场,内电场方向,PN结一方面阻碍多子的扩散,另一方面加速少子的漂移,势垒U0,形成电位势垒,当扩散与漂移作用平衡时,a. 流过PN结的净电流为零。,b. PN结的厚度一定（约几个微米）。,c. 接触电势一定（约零点几伏）。,PN结形成过程动画演示,当N区和P区的掺杂浓度不等时：,离子密度大,空间电荷区的宽度较窄,离子密度小,空间电荷区的宽度较宽,高掺杂浓度区域用N+

4、表示,1.1.2 PN结的单向导电性,1PN结正向偏置,内电场被削弱,PN结变窄,PN结呈现低阻、导通状态,多子进行扩散,PN结正偏动画演示,内电场增强,PN结变宽,PN结呈现高阻、截止状态,不利多子扩散 有利少子漂移,2PN结反向偏置,此电流称为反向饱和电流，记为IS。,因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎无关。,PN结反偏动画演示,总 结,势 垒 PN结 多子扩散 少子漂移 状 态 正 偏 降低 薄 利 不利 低阻 反 偏 增高 厚 不利 利 高阻,1.1.3 PN结的电压与电流关系,ISPN结反向饱和电流,UT 热电压,式中,q电子电量,T绝对温度,在室温（T=300K)时，,（1）当u=0时， i = 0,（3） 当uUT时， i -IS,讨论：,（2）当u0，且uUT 时，,思 考 题,1. 半导体中的载流子浓度主要与那些因素有关？,2. 温度升高，半导体的导电率如何变化？,3. 扩散电流与漂移电流的区别是什么？,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构和类型,二极管就是一个封装的PN结,半导体二极管的外型和符号,半导体二极管的类型,（1）按使用的半导

5、体材料不同分为,（2）按结构形式不同分,1.2.2 半导体二极管的伏安特性,(1) 非线性 整个正向特性曲线近似地呈现为指数形式。,(2) 有死区（iD0的区域）,1正向特性,死区电压约为,(3) 有压降 导通后（即uD大于死区电压后）,即 uD升高， iD急剧增大,2反向特性,反向电流急剧增大,击穿的类型：,电击穿,热击穿,二极管发生反向击穿,c. 降低反向电压，二极管仍能正常工作。,PN结被烧坏，造成二极管的永久性损坏。,二极管发生反向击穿后，如果,a. 功耗PD( = |UDID| )不大。,b. PN结的温度小于允许的最高结温,热击穿：,电击穿：,a. 齐纳击穿,(3) 产生击穿的机理：,半导体的掺杂浓度高,击穿电压低于4V,击穿电压具有负的温度系数,空间电荷区中就有较强的电场,电场将PN结的价电子从共价键中激发出来。,击穿的机理：,半导体的掺杂浓度低,击穿电压高于6V,击穿电压具有正的温度系数,空间电荷区中就有较强的电场,电场使PN结中的少子“碰撞电离”共价键中的价电子,击穿的机理：,(b) 雪崩击穿,总 结,掺杂 PN 击穿 温度 形成 浓度 结 电压 系数 原因 齐 高

6、薄 6V 正 少子加速 崩 碰撞电离,1.2.3 温度对半导体二极管特性的影响,1. 当温度上升时，死区电压缩小，正向管压降降低。,uD/ T = （22.5）mV/。,2. 温度升高，反向饱和电流增大。,即 温度每升高1C，管压降降低（22.5）mV,即 平均温度每升高10C，反向饱和电流增大一倍,1.2.4 半导体二极管的主要电参数,1. 额定电流IF,2. 反向击穿电压U(BR),管子长期运行所允许通过的电流平均值。,二极管能承受的最高反向电压。,4. 反向电流IR,3. 最高允许反向工作电压UR,为了确保管子安全工作，所允许的最高反向电压。,室温下加上规定的反向电压测得的电流。,UR=（1/22/3）U(BR),5. 正向电压降UF,6. 最高工作频率fM,指通过一定的直流测试电流时的管压降。,当工作频率过高时，其单向导电性明显变差。,二极管的几种常用的模型,2） 电路符号,1） 伏安特性,1. 理想二极管,2) 电路模型,1） 伏安特性,2. 恒压模型,2) 电路模型,1） 伏安特性,3. 折线模型,2) 电路模型,1） 伏安特性,4. 小信号动态模型,动态电阻,1.3 半导

7、体二极管的应用,1.3.1 在整流电路中的应用,整流：将交流电变成直流电的过程。,整流电路：完成整流功能的电路。,半波整流电路,全波整流电路,桥式整流电路,设,桥式整流电路,1. 工作原理,a. 当u20时,输出波形,电流流动方向,D1,D2,D4,D3,b. 当u20时,输出波形,电流流动方向,D1,D2,D4,D3,1.3.2 在检波电路中的应用（无线通讯）,用音频信号去控制高频信号的幅值,音频信号,高频信号,载波信号,调制的过程,检波的过程,1.3.3 限幅电路,工作原理,a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时,电路正常放大,b. 当ui使二极管D1 或D1导通时,输入电压波形,输入端电压波形,1.4 特种二极管,1.4.1 硅稳压二极管,特点：,a. 正向特性与普通管类似,稳压管通常工作于反向电击穿状态用来稳定直流电压,b. 反向击穿特性很陡,1. 硅稳压管的主要电参数,（1）稳定电压,（2）动态电阻,（3）最大允许工作电流,（4）最大允许功率耗散,（5）温度系数,温度每变化1oC时UZ的相对变化率。即,UZ 6V管子出现雪崩击穿，U为正；,UZ 4V 出现齐纳击穿，U 为

8、负。,UZ介于4V到6V之间，U可能为正，也可能为负。,温度系数,定义：,（1）,具有温度补偿的硅稳压管,（2）,把一只U为正的管子与另一只U为负的管子串联,将两只U 为正的稳压管串联,2. 硅稳压管的等效电路,反向击穿时端电压表达式,反向,正向,理想二极管,等效电路,3. 硅稳压管稳压电路,R限流电阻,(1) 稳压原理,a. UI不稳定,UI, UO, UZ , IZ, I, I R,b. RL改变,RL, UO, UZ , I R, IZ, I,(2) 限流电阻计算,输出电压稳定的条件:,（保证稳压管被击穿）,Iz(min)IzIZ(max),保证稳压管可靠工作的条件：,UO=UZ,图中,IZ = IIO,此时当IO为最小值IO（min）时，Iz值最大。,当UI为最大值UI（max）时，I值最大；,IZ = IIO,由式,知,由此可得,为保证管子安全工作应使,IZ = IIO,由式,此时当IO为最大值IO（max）时，Iz值最小。,当UI为最大值UI（min）时，I值最小；,知,由此可得,为保证电路可靠工作应使,得,由式,及,1.4.2 变容二极管,1. PN结的电容效应,（1）扩

9、散电容CD,非平衡少子的积累,U变化时，P区积累的非平衡少子浓度分布图,U0,这种电容效应用扩散电容CD表征。,PN结正向偏置电压越高，积累的非平衡少子越多。,（2） 势垒电容CB,空间电荷层,PN结变窄,空间电荷层中的电荷量减少,a. 当PN结正向偏置电压升高时,PN结变宽,空间电荷层中的电荷量增大,b. 当PN结正向偏置电压降低时,PN结的偏置电压能使空间电荷层中电荷量发生变化。,这种电容效应用势垒电容CB表征。,小结：,PN结的结电容Cj,当PN结正偏时：,变容二极管的特点：,b. 电容量与所加的反向偏置电压的大小有关。,a. 当二极管反向偏置时，因反向电阻为很大， 可作电容使用。,变容二极管的符号及C-U特性曲线,2. 变容二极管及其应用示例,谐振频率：,式中,由于,故谐振频率,其它特种二极管：,发光二极管,其它特种二极管：,光敏二极管,思 考 题,1. 稳压管可以稳压的条件是什么？,2. 稳压管稳压电路的特点是什么？,3. 稳压管稳压电路中限流电阻的大小对电路的性能有何影响么？,例1 设图示电路中的二极管性能均为理想。试判断各电路中的二极管是导通还是截止，并求出A、B两点之间的电压AB值。,解：判断电路中二极管导通的方法：,假定电路即将导通，电路中的电流为零，判断电路中各二极管上的压降。压降高的管子优先导通。,对于图 a，在电路即将导通时，D1、D2上的正偏电压分别为10V，-5V。,D2反偏电压为5V,D1导通,AB =0V,D2截止,对于图 b，在电路即将导通时，,即 D1上的反偏电

《西安交大模电课件第1章半导体二极管及其应用》由会员F****n分享，可在线阅读，更多相关《西安交大模电课件第1章半导体二极管及其应用》请在金锄头文库上搜索。