第-1章-半导体二极管及其应用电路课件.ppt
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- 半导体 二极管 及其 应用 电路 课件
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1、半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其半导体二极管及其 应用电路应用电路 1.1 PN结结 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 整流滤波电路整流滤波电路 1.4 特殊二极管特殊二极管半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路1.1 PN结结 1.1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识 图1.1表示的是由二极管、灯泡、限流电阻、开关及电源等组成的简单电路。电路演示如下:按图1.1(a)所示,闭合开关S,灯泡发光,说明电路导通。若二极管管脚调换位置,如图1.1(b)所示,闭合开关S,灯泡不发光,由以上演示结果可知:二极管具有单向导电性。半导体
2、二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路V2CZ54CRHS3 VU2CZ54CVHRS(a)(b)3 V 图 1.1 半导体二极管导电性能的实验 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1半导体的特性半导体的特性 自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝缘体、半导体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。它具有热敏性、光敏性和掺杂性。利用光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应管等。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 2半导体的共价键结构半导体的共价
3、键结构 在电子器件中,用得最多的材料是硅和锗,硅和锗都是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为共价键结构。如图1.2所示。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路444444444正离子核两个电子的共价键大块晶体中的局部结构 图1.2 硅和锗的共价键结构 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束
4、缚得那样紧,价电子从外界获得一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这个空位称为空穴,如图1.3所示。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路444444444由于热激发而产生的自由电子自由电子移走后留下的空穴 图1.3 本征激发产生电子空穴对示意图半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发,又称为热激发。由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作用下,
5、邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转移到这个新的空位上,如图1.4所示。为了区别于自由电子的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等,半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 符号相反。由此可见,本征半导体中存在两种载流子:电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子电子。本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同,如图1.5所示。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路444444444原空穴处现空穴处价电子填补轨迹 图1.4 电子与空穴
6、的移动 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路自由电子空穴AUI 图1.5 两种载流子在电场中的运动 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 3杂质半导体杂质半导体 1)N型半导体 在纯净的半导体硅(或锗)中掺入微量五价元素(如磷)后,就可成为N型半导体,如图1.6(a)所示。在这种半导体中,自由电子数远大于空穴数,导电以电子为主,故此类半导体亦称电子型半导体。2)P型半导体 在硅(或锗)的晶体内掺入少量三价元素杂质,如硼(或铟)等。硼原子只有3个价电子,它与周围硅原子组成共价键时,因缺少一个电子,在晶体中便产生一个 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 空穴。
7、这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具有导电性能。P型半导体共价键结构如图1.6(b)所示。444454444杂质原子提供的多余的电子杂质正离子(a)半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路444434444受主原子邻近的电子落入受主的空位留下可移动的空穴可移动的空穴受主获得一个电子而形成一个负离子(b)图1.6掺杂质后的半导体(a)N型半导体;(b)P型半导体半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 在P型半导体中,空穴数远远大于自由电子数,空穴为多数载流子(简称“多子”),自由电子为少数载流子(简称“少子”)。导电以空穴为主,故此类半导体又称为空穴型半导体。半导体二极管
8、及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1.1.2 PN结及其单向导电特性结及其单向导电特性 1.PN 结的形成结的形成 在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成P型半导体,另一边形成N型半导体。在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层,称为空间电荷区,并产生内电场,其方向是从N区指向P区,内电场的建立阻碍了多数载流子的扩散运动,随着内电场的加强,多子的扩散运动逐步减弱,直至停止,使交界面形成一个稳定的特殊的薄层,即PN结。因为在空间电荷区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此空间电荷区又称为耗尽层。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 2.PN结的单向导电特
9、性结的单向导电特性 在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。1)PN结正向偏置 给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏),如图1.7所示。由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区多数载流子向对方扩散,形成正向电流,此时PN结处于正向导通状态。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路空穴(多数)电子(多数)变薄PN内电场外电场mAIRU 图1.7 PN结加正向电压半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 2)PN结反向偏置 给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,
10、P区接电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏),如图1.8所示。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路空穴(少数)电子(少数)变厚PN内电场外电场AIRRU 图1.8 PN结加反向电压 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场,使PN结加宽,阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用下,只有少数载流子形成的很微弱的电流,称为反向电流。应当指出,少数载流子是由于热激发产生的,因而PN结的反向电流受温度影响很大。综上所述,PN结具有单向导电性,即加正向电压时导通,加反向电压时截止。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1.2
11、半导体二极管半导体二极管 1.2.1 半导体二极管的结构、符号及类型半导体二极管的结构、符号及类型 1结构符号结构符号 二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图1.9所示,在图1.9(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通电流方向。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路PN(阳极)外壳阴极引线阳极引线(阳极)(阴极)(阴极)(a)(b)V半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路2AP2CP2CZ542CZ132CZ30(c)图1.9 二极管结构、符号及外形举例 (a)结构;(b)符号;(c)外形半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 2类型类型 (1)按材料分:有硅
12、二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。(2)按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管。(3)按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。(4)按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。(5)按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1.2.2 半导体二极管的命名方法半导体二极管的命名方法 半导体器件的型号由五个部分组成,如图1.10所示。其型号组成部分的符号及其意义见附录一。如2AP9,“2”表示电极数为2,“A”表示N型锗材料,“P”表示普通管,“9”表示序号。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路用字母
13、表示规格号用数字表示序号用字母表示类型用字母表示材料和极性用数字表示电极数目 图1.10 半导体器件的型号组成半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1.2.3 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性 半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的特性单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。若以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来,就构成二极管的伏安特性曲线,如图1.11所示(图中虚线为锗管的伏安特性,实线为硅管的伏安特性)。下面对二极管伏安特性曲线加以说明。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路0.20
14、.40.60.8O5101530 U(BR)CCDDIRAABB硅锗iV/mAuV/V(A)5 图1.11 二极管伏安特性曲线半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1.正向特性正向特性 二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小(几乎为零),这一部分称为死区,相应的A(A)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图1.6中OA(OA)段。当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.60.7V,锗管约为0.20.3V,如图1.11中AB(AB
15、)段。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值,否则将烧坏PN结。2.反向特性反向特性 二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流IR,见图1.11中OC(OC)段。半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 3.反向击穿特性反向击穿特性 二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压,用UBR表示,如图1.11中CD(CD)段。4.温度对特性的影响温度对特性的影响 由于二极管的核
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