第5章-半导体二极管及其应用课件.ppt
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- 半导体 二极管 及其 应用 课件
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1、5.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 5.1.1 半导体材料半导体材料 5.1.2 本征半导体本征半导体 5.1.3 杂质半导体杂质半导体半导体的导电机制半导体的导电机制 5.1.4 PNPN结的形成及特性结的形成及特性 5.1.1 半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同,来划分的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。半导体有半导体有温敏、光敏温敏、光敏和和掺杂掺杂等导电特性。等导电特性。 5.1.2 本征半导体本征半导体硅和锗的原子结构简化模
2、型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构1、半导体的共价键结构半导体的共价键结构5.1.2 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。晶体形态。电子空穴对电子空穴对由由热激发热激发而而产生的自由电子和空穴对产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。依次充填空穴来实现的。2、本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子5.1.2 本征半导体本征半导体本征半导体中虽然存在两种本征半导体中虽然存在两种载流子载流子,但因,
3、但因本征载流子本征载流子的浓度很低,所以总的来说导电能力很差。的浓度很低,所以总的来说导电能力很差。 T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 2本征半导体的载流子浓度,除与半导体材料本身的性质本征半导体的载流子浓度,除与半导体材料本身的性质有关以外,还与温度密切相关,而且随着温度的升高,有关以外,还与温度密切相关,而且随着温度的升高,基本上按指数规律增加。基本上按指数规律增加。因此,本征载流子的浓度对温度十分敏感。因此,本征载流子的浓度对温度十分
4、敏感。 5.1.3 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,可在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,可使半导体的导电性发生显著变化。使半导体的导电性发生显著变化。 T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 2某种掺杂半导体中的自由电子浓度某种掺杂半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3掺入杂质的本征半导体称为掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。 5.1.3 杂质半导体杂质半导体 N型半导体型半导体掺入五价杂质元素(如磷)掺入五价杂质元素(如磷)的半导体。的半导体。 P型半导
5、体型半导体掺入三价杂质元素(如硼)掺入三价杂质元素(如硼)的半导体。的半导体。为了尽量保持半导体的原有晶体结构,掺入的杂质为了尽量保持半导体的原有晶体结构,掺入的杂质主要是微量的价电子数较为接近的三价或五价元素。主要是微量的价电子数较为接近的三价或五价元素。 1. N型半导体型半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键,而价电子形成共价键,而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。 在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子,电子
6、是多数载流子,它主要由杂质原它主要由杂质原子提供子提供;空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子,因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。 2. P型半导体型半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时,缺少一个价电键时,缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空穴。一个空穴。 在在P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子,空穴是多数载流子,它主要由掺它主要由掺杂形成杂形成;自由自由电子是少数载流子,电子是少数
7、载流子, 由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。 3. 杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响 T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3掺入杂
8、掺入杂 质,不仅本征半导体的导电能力有很大的质,不仅本征半导体的导电能力有很大的提高,而且使其导电特性的稳定性(主要对温度提高,而且使其导电特性的稳定性(主要对温度变化)更强。变化)更强。 4. 杂杂质半导体载流子的漂移运动和扩散运动质半导体载流子的漂移运动和扩散运动漂移运动:漂移运动:在电场作用下半导体中载流子的定向运在电场作用下半导体中载流子的定向运动。漂移运动产生的电流称为漂移电流。动。漂移运动产生的电流称为漂移电流。 当半导体局部光照或有载流子从外界流入,半当半导体局部光照或有载流子从外界流入,半导体内载流子浓度分布将不均匀,载流子会从浓度导体内载流子浓度分布将不均匀,载流子会从浓度高
9、的区域向浓度低的区域运动。高的区域向浓度低的区域运动。扩散运动:扩散运动:因浓度差而引起载流子的定向运动因浓度差而引起载流子的定向运动.扩扩散运动产生的电流称为扩散电流。散运动产生的电流称为扩散电流。 半导体的载流子的运动是杂乱无章的热运动,半导体的载流子的运动是杂乱无章的热运动,不形成电流不形成电流.5.1.4 PN结的形成及特性结的形成及特性1. PN结的形成结的形成2. PN结的单向导电性结的单向导电性 3. PN结的其他特性结的其他特性4. PN结的高频等效电路及最结的高频等效电路及最高工作频率高工作频率1. PN结的形成结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体
10、在两侧通过扩散不同的杂质, ,分别分别形成形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时,将在型半导体。此时,将在N型半导体型半导体和和P型半导体的结合面上形成型半导体的结合面上形成PN结结。将在将在N型和型和P型半导体的结合面上发生如下物理过程型半导体的结合面上发生如下物理过程: : 因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面,离型半导体结合面,离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷
11、区空间电荷区称为称为PN结结。 在空间电荷区,由于缺少多子,所以也在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称称耗尽层耗尽层。 多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 2. PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位,称为区的电位,称为加加正向电压正向电压,简称,简称正偏正偏;反之;反之称为加称为加反向电压反向电压,简称简称反偏反偏。 (1) PN结加正向电压时结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 2. PN结的单向导电性
12、结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位,称为区的电位,称为加加正向电压正向电压,简称,简称正偏正偏;反之;反之称为加称为加反向电压反向电压,简称简称反偏反偏。 (2) PN结加反向电压时结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下,由本征激发决定的在一定的温度条件下,由本征激发决定的少子浓度是一定的,故少子形成的漂移电流是少子浓度是一定的,故少子形成的漂移电流是恒定的,基本上与所加反向电压的大小无关,恒定的,基本上与所加反向电压的大小无关,这个电流也称
13、为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 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。 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。 2. PN结的单向导电性结的单向导电性 (3) PN结结V- I 特性表达式特性表达式其中其中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
14、 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 3. PN结的其他特性结的其他特性 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 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 1 PN结的反向击穿结的反向击穿 (1) 势垒电容势垒电容CB势垒电容示意图势垒电容示意图2 PN结的电容效应结的电容效应 3. PN结的其他特性
15、结的其他特性(2) 扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图 3. PN结的其他特性结的其他特性(d) 代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 a其中其中r二极管等效电阻二极管等效电阻C 二极管等效电容,二极管等效电容,PF 级,非常小。级,非常小。C的阻抗的阻抗1/(C)可见,频率可见,频率越高,越高, C的阻抗越小;的阻抗越小;当当, C的阻抗的阻抗 0;结果,影响到二极管的状态;结果,影响到二极管的状态; 3. PN结的其他特性结的其他特性 3. PN结的其他特性结的其他特性3. 温度特性温度特性 当环境温度升高时,少数载流子的数目增多,当环境温度升高时,少数载流子的数目增多,反向
16、饱和电流随之增大。反向饱和电流随之增大。4. 电阻特性电阻特性 非线性电阻特性非线性电阻特性PN结正偏时,结正偏时,PN结导通,结导通,电阻较小;电阻较小;PN结反偏时,结反偏时,PN结截止,电阻较大。结截止,电阻较大。 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念及知识点本节中的有关概念及知识点 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性结的单向导电性5.2 半导体二极管半导体二极管 5.2.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 5.2.2 二极管的伏安特
17、性及其参数二极管的伏安特性及其参数 5.2.3 二极管的等效电路二极管的等效电路实物图片实物图片 5.2.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极结上加上引线和封装,就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平点接触型、面接触型和平面型面型三大类。三大类。(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小,结电结面积小,结电容小,用于检波和变频等容小,用于检波和变频等高频电路。高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电
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