,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,二极管知識簡介,Diode,I,ntroduction,製作人,:,伍麗紅,Nov.28th,內容大綱,:,1.1,半导体的基本知识,1.2 PN,结及半导体二极管,1.3,特殊二极管,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。,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。,1.1.1,导体、半导体和绝缘体,1.1,半导体的基本知识,半导体,的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,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。,1.1.2,本征半导体,一、本征半导体的结构特点,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。,圖中,實線圓表示位於原子中心的原子核,;,虛線圓上的黑點表示核外按層次排布的電子,;,虛線圓表示電子圍繞原子核運動的軌跡,.,原子核與電子都帶電,.,電子帶負電,原子核帶正電,.,本征半导体：,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成,共价键,，共用一对价电子。,硅和锗的晶体结构,：,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成,晶体,。,硅和锗的共价键结构,+4,+4,+4,+4,+4,表示除去价电子后的原子,共价键共,用电子对,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,+4,+4,+4,+4,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成,晶体,。,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。,SMT,類,DIP,類,二、本征半导体的导电机理,1.,载流子、自由电子和空穴,在绝对,0,度,（,T,=0K,）,和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，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,。,+4,+4,+4,+4,束缚电子,自由电子,空穴,2.,本征半导体的导电机理,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,。,+4,+4,+4,+4,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。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,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。,1.1.3,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。,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）。,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）。,一、,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,。,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,）。,+4,+4,+5,+4,多余,电子,磷原子,二、,P,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如,鋁,（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，,鋁,原子的最外层有三个价电子，与相邻的,半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得,鋁,原子成为不能移动的带负电的离子。由于,鋁,原子接受电子，所以称为,受主原子,。,P,型半导体中空穴是多子，电子是少子,。,+4,+4,+3,+4,鋁,原子,空穴,1.2,PN,结及半导体二极管,2.1.1,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。,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,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。,空间电荷区，,也称耗尽层。,电位,V,V,0,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,P,型区,空间电荷区,N,型区,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。,2.1.2,PN,结的单向导电性,一、,PN,结正向偏置,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,+,+,+,+,R,E,变薄,P,N,外电场,内电场,+,_,二、,PN,结反向偏置,变厚,+,+,+,+,P,N,R,E,+,_,内电场,外电场,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,2.1.3,半导体二极管,一、基本结构,PN,结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,引线,外壳线,触丝线,基片,点接触型,PN,结,面接触型,二极管的电路符号：,P,N,二、伏安特性,U,f,I,f,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管,0.2,0.3V,死区电压 硅管,0.6V,锗管0,.2V,反向击穿电压,U,BR,二极管的伏安特性也就是,PN,结的伏安特性。把二极管的电流随外加偏置电压的变化规律，称为二极管的伏安特性，以曲线的形式描绘出来，就是伏安特性曲线。如圖,1,所示,:,I,R,U,R,(,圖,1),Is,当,U,f,0,时，,I,f,0,，,PN,结处于平衡状态，即,图,1,中的坐标原点。当,U,f,开始增加时，即正向特,性的起始部分。由于此时,U,f,较小,外电场还不足,以克服,PN,结的内电场，正向扩散电流仍几乎为零。只有当,U,f,大于死区电压（锗管约,0.1 V,，硅管约,0.5 V,）后，外加电场才足以克服内电场，使扩散运动迅速增加，才开始产生正向电流,I,f,。,1,）正向特性,外加正偏电压,U,f,2,）反向特性,外加反向偏压,U,R,当外加反向偏压时，宏观电流是由少子组成的反向漂移电流。当反向电压,U,R,在一定范围内变化时，反向电流,I,R,几乎不变，所以又称为反向饱和电流,I,S,。当温度升高时，少子数目增加，所以,I,S,增加。室温下一般硅管的反向饱和电流小于,1,A,，锗管为几十到几百微安,。,3,）击穿特性,外加反压增大到一定程度,击穿特性属于反向特性的特殊部分。当,U,R,继续增大，并超过某一特定电压值时，反向电流将急剧增大，这种现象称之为击穿。发生击穿时的,U,R,叫击穿电压,U,BR,。如果,PN,结击穿时的反向电流过大（比如没有串接限流电阻等原因），使,PN,结的温度超过,PN,结的允许结温（硅,PN,结约为,150,200,，锗,PN,结约为,75,100,）时，,PN,结将因过热而损坏。,三,.,一些重要的极限參數,(,Absolute Maximum Ratings,),2,.,最大整流电流,I,O,指二极管在一定温度下，长期允许通过的最大正向平均电流，否则会使二极管因过热而损坏。,1.,峰值反向電壓,U,RM,二极管反向工作時允許外加的最高電壓,.,在任何瞬間都不允許超過這個值,。,3.,正向電流,I,F,在一定晶體溫度下的最大正向恆定電流,(,直流電流值或有效值,),。,4.,週期峰值電流,I,FRM,能週期性重複的最大允許峰值電流,.,5.,脈衝電流,I,FSM,電流導通時間小於,1S,時的脈衝電流最大值,.,6.,耗散功率,P,tot,最大允許的總耗散功率,.,7.,耗盡層溫度,T,j,或,j,晶體在耗盡層範圍內所允許的最高溫度,.,8.,儲存溫度範圍,T,S,或,S,二极管必須在這個溫度範圍內存放,.,二极管不能用在工作狀態範圍以內及以外的其它溫度,否則便會損壞,.,四,、,一些重要的特徵參數,(,Electrical Characteristics,),在一定正向電流下的正向電壓,U,F,在一定反向電壓和溫度下的反向電流,I,R,在一定反向電壓下的耗盡層電容,C,在一定條件下的反向延遲時間,t,rr,耗盡層與周圍空氣之間的熱阻,R,thU,1.3,特殊二极管,1.3.1,開關二极管,(,Switching Diode,Schottky,Diode,),在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用，因为二极管具有单向导电性，可以相当于一个受外加偏置电压控制的无触点开关。,如图,2,所示，为监测发电机组工作的某种仪表的部分电路。其中,U,s,是需要定期通过二极管,V,D,加入记忆电路的信号，,Ui,为控制信号。,当控制信号,U,i,=10 V,时，,V,D,的负极电位被抬高，二极管截止，相当于,“,开关断开,”,，,U,s,不能通过,V,D,；当,U,i,=0V,时，,V,D,正偏导通，,U,s,可以通过,V,D,加入记忆电路。此时二极管相当于,“,开关闭合,”,情况。这样，二极管,V,D,就在信号,U,i,的控制下，实现了接通或关断,U,s,信号的作用。,圖,2,極限參數和特徵參數,:,1.,反向電壓,U,R,2.,正向電流,I,F,重要的極限參數有,:,3.,耗散功率,P,tot,重要的特徵參數有,:,1.,正向恢復時間,T,fr,:,又稱接通時間,它是消除耗盡層所需的時間,.,2.,反向恢復時間,T,rr,:,又稱斷開時間,它是耗盡層形成的時間,.,3.,電容,C,j,4.,反向電流,I,R,1.3.,2,稳压二极管,(,Zener,),稳压二极管简称稳压管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，可以稳定地工作于击穿区而不损坏。稳压二极管的外形、内部结构均与普通二极管相似，其电路符号、伏安特性曲线如下图所示。,+,-,I,U,U,Z,I,Z,min,I,Zmax,U,Z,I,Z,曲线越陡，电压越稳定。,动态电阻：,r,z,越小，稳压性能越好。,稳压二极管的参数,:,1,）稳定电压,U,Z,U,Z,就是稳压管的反向击穿电压，它的大小取决于制造时的掺杂浓度。,2,）最小稳定电流,I,Zm,in,稳压管正常工作时的最小电流值定义为最小稳定电流，记为,I,Zm,in,，一般在几毫安以上。稳压管正常工作时的电流应大于,I,Zm,in,，以保证稳压效果。,3,）最大稳定电流,I,Zmax,和最大耗散功率,P,ZM,稳压管允许流过的最大电流和最大功耗叫做最大稳定电流,I,Zmax,和最大耗散功率,P,ZM,。通过管子的电流太大，会使管子内部的功耗增大，结温上升而