第3章 二极管及其基本电路优秀课件.ppt
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1、第3章 二极管及其基本电路第1页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系23.1 半导体的基本知识3.1.1 半导体材料半导体材料第3章 二极管及其基本电路导体、绝缘体、半导体划分的依据:导体、绝缘体、半导体划分的依据:物体导电能力物体导电能力(电阻率电阻率)。半导体:电阻率为半导体:电阻率为1010-3-310109 9 cm。典型的半导体:典型的半导体:硅硅Si、锗锗Ge、砷化镓砷化镓GaAs等。等。最常用的半导体材料最常用的半导体材料:硅硅。第2页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系33.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构第3章二极管及其基本电路 3
2、.1半导体的基本知识 硅硅和和锗锗是是四四价价元元素素,在在原原子子最最外外层层轨轨道道上上的的四四个个电电子称为子称为价电子价电子。半导体硅材料具有晶体结构,它们分别与周围的四半导体硅材料具有晶体结构,它们分别与周围的四个原子的价电子形成个原子的价电子形成共价键共价键。共价键中的价电子为这些原。共价键中的价电子为这些原子所共有,并为它们所束缚,称为子所共有,并为它们所束缚,称为束缚电子束缚电子。第3页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系43.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用第3章二极管及其基本电路 3.1半导体的基本知识本征半导体本征半导体:完
3、全纯净的,结构完整的半导体。:完全纯净的,结构完整的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为,常称为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。第4页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系5 电子空穴对 当半导体处于热力学温度0K时,导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。自由电子这一现象称为本征激发,也称热激发3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用第3章二极管及其基本电路 3.1半导体的基本知识
4、第5页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系63.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用第3章二极管及其基本电路 3.1半导体的基本知识 自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,原子的电中性被破坏,呈现出正电性,其正电量与电子的负电量相等,人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。空穴第6页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系7 空穴的移动 相邻共价键中的价电子(束缚电子)能迁入空穴形成新的空穴,相当于空穴移动。带电粒子在电场作用下能作定向运动。自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定向运动也可形成空穴电流。电子与空穴的移动3.1.3 本征半导体、空穴及
5、其导电作用第3章二极管及其基本电路 3.1半导体的基本知识第7页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系8 “自由电子自由电子”和和“空穴空穴”总称总称“载流子载流子”(载运(载运电流的粒子。电流的粒子。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对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,称为出现的,称为电子空穴对电子空穴对。称为称为产生产生。部分自由电子也可能回到空穴中去,称为部分自由电子也可能回到空穴中去,称为复合复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。温度增加,载流子浓度增加,半导体的导电能力增加。温度增加,载流子浓
6、度增加,半导体的导电能力增加。3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用第3章二极管及其基本电路 3.1半导体的基本知识第8页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系93.1.4 杂质半导体杂质半导体第3章二极管及其基本电路 3.1半导体的基本知识 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。掺入的杂质主要是使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半杂质半导体导体。N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素(如磷)的半导掺入五价杂
7、质元素(如磷)的半导体。体。P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素(如硼)的半导掺入三价杂质元素(如硼)的半导体。体。第9页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系103.1.4 杂质半导体第3章二极管及其基本电路 3.1半导体的基本知识 1.N 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 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
8、是多数载流子,它主要由杂质原子它主要由杂质原子提供;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。第10页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系113.1.4 杂质半导体第3章二极管及其基本电路 3.1半导体的基本知识 2.P 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
9、穴。在在P 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,它主要由掺杂形成;它主要由掺杂形成;自自由由电子是少数载流子,电子是少数载流子,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。第11页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系123.1.4 杂质半导体第3章二极管及其基本电路 3.1半导体的基本知识 3.杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响,一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本
10、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第12页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系133.2.1 载流子的漂移与扩散3.2 PN结的形成及特性第3章 二极管及其基本电路 漂移运动:在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。漂移运动:在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动:由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩
11、扩散运动:由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。散运动。第13页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系143.2.2 PN结的形成结的形成第3章二极管及其基本电路 3.2 PN结的形成及特性 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在两侧通过扩散不同的杂质,分别形分别形成成N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。第14页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系153.2.2 PN结的形成第3章二极管及其基本电路 3.2 PN结的形成及特性此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动
12、由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 并复合并复合 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 e 第15页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系16 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面,离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。e 第16页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系173.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性第3章二极管及其基本电路 3.2 PN结的形成及特性 如果外加电压使如果外加电压使
13、PN结中:结中:P区的电位高于区的电位高于N区的电位,称为加区的电位,称为加正向电压正向电压,简称,简称正偏正偏;P区的电位低于区的电位低于N区的电位,称为加区的电位,称为加反向电压反向电压,简称简称反偏反偏。第17页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系183.2.3 PN结的单向导电性第3章二极管及其基本电路 3.2 PN结的形成及特性(1)PN(1)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 外加的正向电压方向外加的正向电压方向与与PN结内电场方向相反,结内电场方向相反,削弱了内电场。于是,内削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻电场对多子扩散运动的阻碍减弱
14、,扩散电流加大。碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,扩散电流远大于漂移电流,忽略漂移电流,忽略漂移电流,PN结呈现结呈现低阻性。低阻性。PN结加正向电压时的导电情况第18页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系193.2.3 PN结的单向导电性第3章二极管及其基本电路 3.2 PN结的形成及特性PN结加反向电压时的导电情况(2)PN(2)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 外加的反向电压方向外加的反向电压方向与与PN结内电场方向相同,结内电场方向相同,加强了内电场。多子扩散运加强了内电场。多子扩散运动受阻,扩散电流趋于零。动受阻,扩散电流趋于零。少子漂
15、移加强,形成漂移电少子漂移加强,形成漂移电流,其数量很小,流,其数量很小,PN结呈结呈现高阻性。现高阻性。在一定的温度条件下,由在一定的温度条件下,由本征激发决定的少子浓度是一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定的,故少子形成的漂移电流是恒定的,基本上与所加反向是恒定的,基本上与所加反向电压的大小无关,这个电流也电压的大小无关,这个电流也称为称为反向饱和电流。反向饱和电流。第19页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系20 PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论:PN结具有
16、单向导电性。3.2.3 PN结的单向导电性第3章二极管及其基本电路 3.2 PN结的形成及特性第20页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系213.2.3 PN结的单向导电性第3章二极管及其基本电路 3.2 PN结的形成及特性(3)PN结V-I 特性表达式其中其中PN结的伏安特性I IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 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 T=300K=300K)第21页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系223.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿第3章二极管及其基本电路 3.2 PN结的形成及特性 当VBRV0时,
17、反向电流很小,且基本不随反向电压的变化而变化,此时的反向电流也称反向饱和电流IS。当当VVBR时,反向电流急时,反向电流急剧增加,剧增加,VBR称为称为反向击穿电反向击穿电压压。第22页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系23 雪崩击穿:雪崩击穿:通过空间电荷区的电子和空穴,在电通过空间电荷区的电子和空穴,在电场作用下能量增大。与晶体原子发生碰撞,可使共价场作用下能量增大。与晶体原子发生碰撞,可使共价键中的电子激发形成电子空穴对,称键中的电子激发形成电子空穴对,称碰撞电离碰撞电离,新产,新产生的电子和空穴,在电场作用下,重新获得能量,又可通生的电子和空穴,在电场作用下,重新获得
18、能量,又可通过碰撞,再产生电子空穴对,这就是载流子的过碰撞,再产生电子空穴对,这就是载流子的倍增效应倍增效应。使反向电流急剧增大。使反向电流急剧增大。齐纳击穿:齐纳击穿:在加有较高的反向电压下,在加有较高的反向电压下,PN结的空结的空间电荷区中存在一个强电场,能破坏共价键将束缚电间电荷区中存在一个强电场,能破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子空穴对,形成较大反向电流。子分离出来造成电子空穴对,形成较大反向电流。3.2.4 PN结的反向击穿第3章二极管及其基本电路 3.2 PN结的形成及特性第23页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系24热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿 齐纳击
19、穿 电击穿电击穿可逆可逆3.2.4 PN结的反向击穿第3章二极管及其基本电路 3.2 PN结的形成及特性第24页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系253.3.1 二极管的结构3.3 二极管第3章 二极管及其基本电路 在在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。二结上加上引线和封装,就成为一个二极管。二极管按结构分有极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。第25页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系263.3.1 二极管的结构第3章二极管及其基本电路 3.3 二极管(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小,结电
20、容小,用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 二极管的结构示意图第26页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系273.3.1 二极管的结构第3章二极管及其基本电路 3.3 二极管(c)平面型(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大,用于工频大电流整流电路。(b)面接触型第27页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院 电力系283.3.1 二极管的结构第3章二极管及其基本电路 3.3 二极管半导体二极管图片第28页,本讲稿共58页2023/2/9上海电力学院
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