1、1,第一讲 常用半导体器件1-二极管,2,什么叫做半导体器件？,导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件。,1.1 半导体的基础知识,概念- 导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,4,半导体具有不同于其它物质的特点：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,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。,5,1.1.2
2、半导体结构,一、半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,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。,6,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,7,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，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。,束缚电子和自由电子,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,8,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,1.1.3 本征半导体,9,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键
3、束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.两种载流子-自由电子和空穴,1.1.3 本征半导体,10,自由电子,空穴,束缚电子,空穴也叫载流子？,11,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,12,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
4、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。,本征半导体中电流由两部分组成：1. 自由电子移动产生的电流。2. 空穴移动产生的电流。,13,1.1.4 杂质半导体,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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,为什么导电性能发生显著变化？,14,1、N 型半导体,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
5、半导体原子被杂质取代，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子形成共价键，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，称为施主原子。,15,多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,16,2、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,17,
6、3、杂质半导体的示意表示法,杂质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。近似认为多子与杂质浓度相等。,18,1. 异型半导体的接触现象-PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,1.1.5 PN结,形成什么样PN 结？,19,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,20,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。,21,空
7、间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,22,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,23,2. PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,24,1、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,25,2、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的
8、扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,26,二极管有怎样的导电特性？,结论：二极管具有单向导电性,27,3 PN结的击穿,雪崩击穿：反向电压过大，阻挡层内电场很强而造成。齐纳击穿：PN结两边掺杂浓度高，使阻挡层宽度变小所致。,28,请回忆一下本次课所学的概念：,1.什么是本征半导体？本征半导体中的两种载流子是？ 2.什么是P型半导体？内部多子和少子分别是？ 3.什么是N型半导体？内部多子和少子分别是？ 4.什么是扩散运动？什么是空间电荷区？什么是漂移运动？ 5.PN结有哪些特性？PN结正向偏置导通的过程?,29,1.2.1二极管的结构及类型,1.二极管的结
9、构,PN结+管壳+引线,1.2 半导体二极管,30,(a) 点接触型,点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。?,面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。,检波二极管,整流二极管,31,按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管等。,按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。,2. 二极管的类型,32,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，则I = f (U )之间的关系曲线为伏安特性。,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,1.2.2二极管的伏安特性和等效电路,1.二极管的伏安特性,33,(1) 正向
10、特性,二极管的伏安特性曲线, 正向电压UF小于电压UT时，二极管截止，正向电流IF =0；此电压成为死区电压。 其中，死区电压, UF UT时，V导通，IF急剧增大。导通后V两端电压基本恒定：,结论：正偏时电阻小，具有非线性,演示,UT,34,(2) 反向特性,演示,反向电压UR URM (反向击穿电压)时，反向电流IR很小，且近似为常数，称为反向饱和电流。,UR URM时，IR剧增，此现象称为反向电击穿。对应的电压URM称为反向击穿电压。,结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。,35,PN结的伏安特性方程,二极管的核心是一个PN结,所以它的伏安特性方程与上式基本相同。,1.2.2 半导体二极管的
11、伏安特性,PN结两端的电压U和PN结的电流I之间的关系可用下列方程表示： I=IS(eU/UT-1),式中IS 为反向饱和电流，U 为二极管两端的电压降， UT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。,36,结论：,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,死区电压？正向导通电压？反向击穿电压？反向饱
12、和电流？,37,二极管是对温度非常敏感的器件。死区电压？饱和电流？反向击穿电压？正向导通压降？实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10，反向电流大约增加一倍。图所示为温度对二极管伏安特性的影响。,2.二极管的温度特性,38,图 温度对二极管伏安特性的影响,39,1.2.3 二极管的主要参数,1） 最大整流电流 IF,二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,2）最高反向工作电压 UR,工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压 UBR 的一
13、半定义为 UR 。,3）反向电流 IR,通常希望 IR 值愈小愈好。,4）最高工作频率 fM,fM 值主要 决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,40,2AP9,2 半导体二极管的命名,2CW56,N型锗材料 普通二极管,N型硅材料 稳压二极管,2 C Z 52 A,规格号,序号,整流管,N型硅材料,二极管,41,2 半导体二极管的命名,型号 1N4001 1N4002 1N4003 1N4004 1N4005 1N4006 1N4007 耐压（V） 50 100 200 400 600 800 1000 电流（A） 均为1,1N4007， 1N是日本电子元
14、件命名法：1代表有一个PN节为二极管。2代表有两个PN节为三极管。 1N4000系列为硅整流二极管相关参数如下：,42,课后题1-4-2怎么做？P59 答案：,43,理想模型：当二极管正向电压和正向电阻与外接电路的等效电阻相比均可忽略时，这样的二极管可称为理想二极管。,理想二极管在电路中相当于一个理想开关：,外加电压少大于零，就导通，管压降为0V开关闭合；,当反偏时，二极管截止，其电阻为无穷大开关断开。,3. 半导体二极管电路的分析方法,44,恒压降模型：当二极管的正向压降与外加电压相比不能忽略，而正向电阻与外接电阻相比可忽略时，可用由理想二极管和电压源UF串联构成的模型来近似替代。,正向压降
15、不再认为是0，而是接近实际工作电压的某一定值UF，且不随电流变化。,45,例：二极管电路如图所示，试分别用二极管的理想模型、恒压降模型计算回路中的电流ID和输出电压U0。设二极管为硅管。,+,_,1.用理想模型,2.用恒压降模型: 由于二极管D导通,UF=0.7V,所以,由于二极管D导通,起管压降为0V,46,普通二极管的应用范围很广，可用于开关、整流、稳压、钳位和限幅等电路。,1.2.4 二极管的应用,47,1.4.3 二极管其他应用举例,限幅电路,ui正半周 ui负半周,二极管D1 D2截止,u0=ui,ui正半周 ui负半周,二极管D1 D2导通,u0=UC1 u0=-UC2,48,钳位
16、电路,将输出电压钳制在一定数值上。,二极管D1两端电位差大而优先导通,UF=0.7V,U0=钳制在4.3V,49,1.2.5 特殊二极管-稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,50,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,51,稳压二极管的应用举例,稳压管应用的两个条件:,1.要反向运用；,2.要与限流电阻配合使用。,52,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻 。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,解：令输入电压达到上限时，流
17、过稳压管的电流为Izmax 。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,53,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,54,2.发光二极管发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED。此类管子通常由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，当导通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。目前发光二极管的颜色有红、黄、橙、绿、白和蓝6种，所发光的颜色主要取决于制作管子的材料，例如用砷化镓发出红光，而用磷化镓则发出绿光。其中白色发光二极管是新型产品，主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。,55,发
18、光二极管工作时导通电压比普通二极管大，其工作电压随材料的不同而不同，一般为1.7V2.4V。普通绿、黄、红、橙色发光二极管工作电压约为2V；白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V；蓝色发光二极管的工作电压一般高于3.3V。发光二极管的工作电流一般在2mA25mA的范围。,56,发光二极管应用非常广泛，常用作各种电子设备如仪器仪表、计算机、电视机等的电源指示灯和信号指示等，还可以做成七段数码显示器等。发光二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号。普通发光二极管的外形和符号如图1.23所示。,57,图1.23 发光二极管的外形和符号,58,3.光电二极管光电二极管又称为光敏二极管，它是一种光接
19、受器件，其PN结工作在反偏状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。图1.24所示为光电二极管的基本电路和符号。,59,图1.24 光电二极管的基本电路和符号,60,4.变容二极管图1.25所示为变容二极管的符号。此种管子是利用PN结的电容效应进行工作的，它工作在反向偏置状态，当外加的反偏电压变化时，其电容量也随着改变。,61,图1.25 变容二极管的符号,62,5.激光二极管激光二极管是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，构成一个光谐振腔。工作时接正向电压，可发射出激光。激光二极管的应用非常广泛，在计算机的光盘驱动器，激光打印机中的打印头，激光唱机，激光影碟机中都有激光二极管。,激光二极管由两部分构成，一部分是激光发射部分，另一部分为激光接收部分。和两部分又有公共端点，公共端一般同管子的金属外壳相连，所以激光二极管实际上只有三个脚、。,
