空穴半导体课件.ppt

1、1半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用21 半导体的基本知识半导体的基本知识 1.1 PN结结 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体半导体，半导体器件中用的最多的是硅和锗。，半导体器件中用的最多的是硅和锗。半导体半导体的特点：的特点： 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使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。它的导电能力明显改变。3 1.1.1 本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工

2、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体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，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。的最外层电子（价电子）都是四个。4 本征半导体化学成分纯净的半导体。 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”。 它在物理结构上呈单晶体形态。5硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子6共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束

3、缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，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。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是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+47二、本征半导体的导电机理二、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

4、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，使一些价电子获得足够的能量在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共，同时共价键上留下一个空位，称为价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 这一现象称为本征激发，也称热激发。8可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图

5、所示。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合的过程92.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，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，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。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。10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

6、，温度是影响半导体性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，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。11 1.1.2 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。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体

7、的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。12一、一、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（或锑），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，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原

8、子形成共价键，其中四个与相邻的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，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电子，这样磷原子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子。每个磷原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，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。13+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 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

9、产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自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。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（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）。）。14二、二、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（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时

10、，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子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。15三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子但由于数量的关系，起导电作用

11、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。161.1.3 PN结结一、一、 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。17P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空

12、间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。18漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E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。有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。19+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0201 1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N区区 中的电子（中的电子（都是多

13、子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3 3、P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意: :21二、二、 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。22+RE1 1、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变

14、变薄薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。232 2、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE24 PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流

15、。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。25 3 PN结方程结方程其中其中iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=IS0.51.00.501.0 D/V)1(/SDD TVveIiIS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）V026. 0 qkTVTmV 26 26 三、三、 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电压结的反向电压增加到一定数值时，反增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，向电流突然快速增加，此现象称为

16、此现象称为PN结的结的反向反向击穿。击穿。iDOVBR D热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿高反压，碰撞电离高反压，碰撞电离 齐纳击穿齐纳击穿较低反压，场致激发较低反压，场致激发电击穿电击穿可逆可逆27四、 PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应（结电容），它由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB ， 二是扩散电容CD 。281 势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下。29 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形

17、成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。2 扩散电容扩散电容CD 反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如下页所示。30扩散电容示意图 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。都很小。正偏时扩散电容为主；反偏时势垒电容为主。31 2 半导体二极管半导体二极管PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管

18、。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号二极管的电路符号高频，小电流低频，大电流32半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：33半导体二极管图片3435 2.1 伏安特性伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.8V,锗锗管管0.10.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR36 2.2 二极管的等效电路二极管的等效电路 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37 4. 小信号模型小

19、信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，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。其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 则则常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT Q ?38叠加 ！392.3 主要参数主要参数 1. 最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电流。2. 反向击穿电压反向击穿电压

20、UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压压UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。403. 反向电流反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅温度的影响，温度越高反向电流越大。硅

21、管的反向电流较小，锗管的反向电流要比管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。保护等等。下面介绍两个交流参数。414. 微变电阻微变电阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与附近电压的变化与电流的变化之比：电流的变化之比：DDDiur显然，显然，rD是对是对Q附近的微小附近的微小变化区域内

22、的电阻。变化区域内的电阻。42二极管：二极管：死区电压死区电压=0 .5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 ，正向压降，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管的应用举例 二极管半波整流二极管半波整流432.4 稳压二极管稳压二极管UIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。+-UZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳越小，稳压性能越好压性能越好44（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最

23、大允许功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻ZZIUZr45稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数稳压管的技术参数:k10LR负载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常值发当输入电压由正常值发生生 20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，

24、流过稳压管的电流为流为Izmax 。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程146令输入电压降到下限令输入电压降到下限时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电流为流为Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui47 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。48光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加49发光二极管发光二极管有正向电流流过有正向电流流过时，发出一定波长时，发出一定波长范围的光，目前的范围的光，目前的发光管可以发出从发光管可以发出从红外到可见波段的红外到可见波段的光，它的电特性与光，它的电特性与一般二极管类似。一般二极管类似。