第3章二极管及其基本电路PPT讲稿.ppt

第3章二极管及其基本电路12节829第1页，共64页，编辑于2022年，星期二知知 识识 点点 教教 学学 要要 求求 熟练掌握熟练掌握 正确理解正确理解 一般了解一般了解 半半导导体体基基础础知知识识 本征半导体，掺杂半导体本征半导体，掺杂半导体 PN PN 结的形成结的形成 PN PN 结的单向导电性结的单向导电性 PN PN 结的电容效应结的电容效应 半半导导体体二二极极管管 二极管的结构及类型二极管的结构及类型 二极管的伏安特性及主要参数二极管的伏安特性及主要参数 二极管的应用（整流、检波和二极管的应用（整流、检波和限幅等）限幅等）第2页，共64页，编辑于2022年，星期二3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识半导半导体体 导电能力介于导体和绝缘体之间导电能力介于导体和绝缘体之间最常用的半导体材料最常用的半导体材料物体根据其导电能力（电阻率）分物体根据其导电能力（电阻率）分半导半导体体绝缘绝缘体体导导体体锗锗硅硅第3页，共64页，编辑于2022年，星期二+14284Si硅原子结构示意图硅原子结构示意图+3228 18Ge锗原子结构示意图锗原子结构示意图4原子结构示意图原子结构示意图+4硅、锗原子硅、锗原子的简化模型的简化模型第4页，共64页，编辑于2022年，星期二平面结构平面结构立体结构立体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+41.本征半导体本征半导体本征半导体就是本征半导体就是完全纯净的完全纯净的半导体半导体第5页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键价电子价电子第6页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4本本征征半半导导体体受受热热或或光光照照第7页，共64页，编辑于2022年，星期二本本征征激激发发产产生生电电子子和和空空穴穴自由电子自由电子空穴空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4第8页，共64页，编辑于2022年，星期二电子空穴电子空穴成对产生成对产生+4+4+4+4+4+4+4+4+4第9页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4第10页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴电子空穴复合，成复合，成对消失对消失第11页，共64页，编辑于2022年，星期二电子和空穴产生过程动画演示电子和空穴产生过程动画演示第12页，共64页，编辑于2022年，星期二 本征激发使本征激发使空穴空穴和和自由电子自由电子成对产生。成对产生。相遇相遇复合复合时，又时，又成对成对消失。消失。小结小结空穴浓度（空穴浓度（pi)=电子浓度电子浓度(ni)温度温度T一定时一定时pi ni=K(T)K(T)与温度有关的常数与温度有关的常数 第13页，共64页，编辑于2022年，星期二在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U第14页，共64页，编辑于2022年，星期二电电子子运运动动形形成成电电子子电电流流+4+4+4+4+4+4+4+4+4U第15页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4U第16页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4U第17页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4U第18页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4U第19页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4U价电子填价电子填补空穴而补空穴而使空穴移使空穴移动，形成动，形成空穴电流空穴电流第20页，共64页，编辑于2022年，星期二半导体导电机理动画演示半导体导电机理动画演示第21页，共64页，编辑于2022年，星期二(1)在半导体中有两种在半导体中有两种载流子载流子这就是这就是半导体和金属导电半导体和金属导电原理的本质区别原理的本质区别a.电阻率大电阻率大(2)本征半导体的特点本征半导体的特点b.导电性能随温度变化大导电性能随温度变化大小结小结带正电的带正电的空穴空穴带负电的带负电的自由电子自由电子本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用第22页，共64页，编辑于2022年，星期二2杂质半导体杂质半导体 在在本征半导体本征半导体硅或锗中硅或锗中掺入微量掺入微量的其它适当的其它适当元素元素后所后所形成的半导体形成的半导体根据掺杂的不同，杂质半导体分为根据掺杂的不同，杂质半导体分为P型型半半导导体体N型型半半导导体体第23页，共64页，编辑于2022年，星期二(1)P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入三价元素杂质三价元素杂质，如硼等。如硼等。B B+4+4+4+4+4+4+4+4+4第24页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4B B第25页，共64页，编辑于2022年，星期二出出现现了了一一个个空空位位+4+4+4+4+4+4B B+4+4第26页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4B B+4+4负离子负离子空穴空穴第27页，共64页，编辑于2022年，星期二-半导体中产生了大量的空穴和负离子半导体中产生了大量的空穴和负离子第28页，共64页，编辑于2022年，星期二P型半导体的形成过程动画演示型半导体的形成过程动画演示第29页，共64页，编辑于2022年，星期二c.空穴是多数载流子空穴是多数载流子,电子是少数载流子。电子是少数载流子。e.因空穴带正电，称这种半导体为因空穴带正电，称这种半导体为P(positive)型或型或 空穴型半导体。空穴型半导体。f.因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。a.P型半导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价掺入少量的三价元素杂质形成的。元素杂质形成的。b.P型半导体型半导体产生大量的空穴和负离子产生大量的空穴和负离子。小结小结d.pi ni=K(T)第30页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4P P(2)N型半导体型半导体 掺入五价元素杂质（如磷等）的杂质半导体掺入五价元素杂质（如磷等）的杂质半导体第31页，共64页，编辑于2022年，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4P P第32页，共64页，编辑于2022年，星期二多出多出一个一个电子电子出现出现了一了一个正个正离子离子+4+4+4+4+4+4+4+4P P第33页，共64页，编辑于2022年，星期二+半导体中产生了大量的自由电子和正离子半导体中产生了大量的自由电子和正离子第34页，共64页，编辑于2022年，星期二N型半导体形成过程动画演示型半导体形成过程动画演示第35页，共64页，编辑于2022年，星期二c.电子是多数载流子，简称多子电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流空穴是少数载流 子，简称少子。子，简称少子。e.因电子带负电，称这种半导体为因电子带负电，称这种半导体为N(negative)型或型或 电子型半导体。电子型半导体。f.因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。b.N型半导体中型半导体中产生了大量的产生了大量的(自由）电子和正离子自由）电子和正离子。小结小结d.pi ni=K(T)a.N型半导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量五价元素杂质形掺入少量五价元素杂质形成的。成的。第36页，共64页，编辑于2022年，星期二N+N+以以N型半导体为基片型半导体为基片通过半导体扩散工艺通过半导体扩散工艺3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性2.PN结的形成结的形成1.载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散第37页，共64页，编辑于2022年，星期二使半导体的一边形成使半导体的一边形成N型区，另一边形成型区，另一边形成P型区。型区。N+-P-第38页，共64页，编辑于2022年，星期二(1)在浓度差的作用下，电子从在浓度差的作用下，电子从 N区向区向P区扩散。区扩散。N+-P-第39页，共64页，编辑于2022年，星期二(2)在浓度差的作用下，空穴从在浓度差的作用下，空穴从P区向区向N区扩散。区扩散。N+-P-第40页，共64页，编辑于2022年，星期二在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和区和N区交界面区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。上，留下了一层不能移动的正、负离子。小结小结N+-P-第41页，共64页，编辑于2022年，星期二即即PN结结空间电荷区空间电荷区N+-P-第42页，共64页，编辑于2022年，星期二形成内电场形成内电场内电场方向内电场方向N+-P-第43页，共64页，编辑于2022年，星期二PN结结一方面阻碍多子的扩散一方面阻碍多子的扩散N+-P-第44页，共64页，编辑于2022年，星期二另一方面另一方面加速少子的漂移加速少子的漂移N+-P-第45页，共64页，编辑于2022年，星期二势垒势垒U0形成势垒电位形成势垒电位N+-P-第46页，共64页，编辑于2022年，星期二当扩散与漂移作用平衡时当扩散与漂移作用平衡时a.流过流过PN结的净电流为零结的净电流为零b.PN结的厚度一定（约几个微米）结的厚度一定（约几个微米）c.接触电位一定（约零点几伏）接触电位一定（约零点几伏）N+-P-第47页，共64页，编辑于2022年，星期二PN结形成过程动画演示结形成过程动画演示第48页，共64页，编辑于2022年，星期二3.PN结的单向导电性结的单向导电性1）PN结正向偏置结正向偏置 PN结正向偏置结正向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结P型半型半 导体的一导体的一端的电位高于端的电位高于N型半导体一端的电位时，称型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置，结正向偏置，简称正偏。简称正偏。PN结反向偏置结反向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结N型半导体的一型半导体的一端的电位高于端的电位高于P型半导体一端的电位时，称型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，结反向偏置，简称反偏。简称反偏。第49页，共64页，编辑于2022年，星期二-PN+-+RSE内内+EPN结正向偏置结正向偏置第50页，共64页，编辑于2022年，星期二内电场被削弱内电场被削弱PN结变窄结变窄PN结呈现低阻、导通状态结呈现低阻、导通状态多子进行扩散多子进行扩散-PN+-+RSE内内+E第51页，共64页，编辑于2022年，星期二PN结正偏动画演示结正偏动画演示第52页，共64页，编辑于2022年，星期二内电场增强内电场增强PN结变宽结变宽PN结呈现高阻、结呈现高阻、截止状态截止状态不利多子扩散不利多子扩散有利少子漂移有利少子漂移2）PN结反向偏置结反向偏置 -PN+-+RSE内内+E第53页，共64页，编辑于2022年，星期二此电流称为此电流称为反向饱和电流，记为反向饱和电流，记为IS。因少子浓度主要与温度有关，反向因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎电流与反向电压几乎无关。无关。-PN+-+RSE内内+E第54页，共64页，编辑于2022年，星期二PN结反偏动画演示结反偏动画演示第55页，共64页，编辑于2022年，星期二3）PN结的结的V-IV-I特性特性+_PN_vDiD第56页，共64页，编辑于2022年，星期二IS PN结反向饱和电流结反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量式中式中VT=kT qq 电子电荷电子电荷T 绝对温度绝对温度在室温（在室温（T=300K)时，时，k 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数其中其中n 发射系数，其值在发射系数，其值在12之间之间第57页，共64页，编辑于2022年，星期二(1)当当vD=0时时,iD=0；(3)当当vD VT 时，时，i D IS。讨论讨论(2)当当vD 0，且，且vD VT 时，时，；PN结的伏安特性结的伏安特性第58页，共64页，编辑于2022年，星期二思思 考考 题题1.半导体中的载流子浓度主要与哪些因素有关？半导体中的载流子浓度主要与哪些因素有关？2.扩散电流与漂移电流的主要区别是什么？扩散电流与漂移电流的主要区别是什么？第59页，共64页，编辑于2022年，星期二如果加到如果加到PNPN结两端的电压增大到一定数值时，反向电流突结两端的电压增大到一定数值时，反向电流突然急剧增大，称为然急剧增大，称为PNPN结的反向击穿。结的反向击穿。击穿的类型击穿的类型电击穿（可逆）电击穿（可逆）热击穿（不可逆）热击穿（不可逆）4.PN结的反向击穿结的反向击穿第60页，共64页，编辑于2022年，星期二降低反向电压，二极管仍能正常工作。降低反向电压，二极管仍能正常工作。PN结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。二极管发生反向击穿后，如果二极管发生反向击穿后，如果a.功耗功耗PD(=|VDID|)不大不大b.PN结的温度小于允许的最高结温结的温度小于允许的最高结温硅管硅管150200oC锗管锗管75100oC热击穿热击穿电击穿电击穿第61页，共64页，编辑于2022年，星期二b.齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿半导体的掺杂浓度高半导体的掺杂浓度高空间电荷区中有很强的电场空间电荷区中有很强的电场电场将电场将PN结结中中的价电子从共价键中激发出来的价电子从共价键中激发出来击穿的机理击穿的机理条件条件半导体的掺杂浓度低半导体的掺杂浓度低空间电荷区中就有较强的电场空间电荷区中就有较强的电场电场使电场使PN结中的少子结中的少子“碰撞电离碰撞电离”共价键中的价电子共价键中的价电子击穿的机理击穿的机理条件条件a.雪崩击穿雪崩击穿第62页，共64页，编辑于2022年，星期二5.PN结的电容效应结的电容效应(1)(1)扩散电容扩散电容C CD D第63页，共64页，编辑于2022年，星期二(2)(2)势垒电容势垒电容C CB B第64页，共64页，编辑于2022年，星期二