第二章P-N结.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体器件物理,第二章,P-N,结,半导体器件物理,第,2,章,P-N,结,本章重点,P-N,结的能带图,平衡,P-N,结的特点,P-N,结的直流特性,P-N,结,采用合金、扩散、离子注入等制造工艺，可以在一块半导体中获得不同掺杂的两个区域，这种,P,型和,N,型区之间的,冶金学界面,称为,P-N,结。,双极型及,MOS,型半导体器件是由一个或几个,P-N,结组成的，,P-N,结是很多半导体器件的心脏,，所以研究,P-N,结的交、直流特性，是搞清器件机理的基础。,2.1,P-N,结及其能带图,P-N,结的形成,在一块,N,型,(,或,P,型,),半导体单晶上，用适当的工艺（如合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把,P,型（或,N,型）杂质掺入其中，使这块半导体单晶的不同区域分别具有,N,型和,P,型的导电类型，在两者的交界面处就形成了,P-N,结。,制作方法,合金法,把一小粒铝放在一块,N,型单晶硅片上，加热到一定温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在,N,型硅片上形成一含有高浓度铝的,P,型硅薄层，它和,N,型硅衬底的交界面即为,P-N,结（称之为铝硅合金结）。,扩散法,在,N,型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得,P-N,结。其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。如图所示在,N,型硅单晶上，生长一层,SiO,2,，通过光刻、扩散将,P,型杂质扩散入,N,型硅单晶中，形成,P-N,结（亦称之为扩散结）。,突变结,合金结的杂质分布如图所示，,N,型区中施主杂质浓度为,N,D,，而且是均匀分布的，,P,型区中受主杂质浓度为,N,A,，也是均匀分布的。在交界面处，杂质浓度从,N,A,（,P,型区中）突变为,N,D,（,N,型区中），故称之为突变结。,设,P-N,结的位置在,x=x,j,处，则突变结的杂质分布可表示为,实际的突变结，两边的杂质浓度相差很大。例如,N,区的施主杂质浓度为,10,16,cm,-3,，而,P,区的受主杂质浓度为,10,19,cm,-3,。,如图所示的杂质分布可近似为突变结。,缓变结,由扩散法形成的,P-N,结，杂质浓度从,P,区到,N,区是逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。,设,P-N,结位置在,x=x,j,处，则结中的杂质分布可表示为,如果杂质分布可用,x=x,j,处的,切线,近似表示，则称之为线性缓变结，如图所示。,此时，线性缓变结的杂质分布可表示为,j,是,x=x,j,处切线的斜率，称之为,杂质浓度梯度,，决定于扩散杂质的实际分布，可以用实验方法测得。,但对于,高表面浓度的浅扩散结,，,x,j,处的斜率,j,非常大，这时扩散结可用突变结来近似。,合金结和高表面浓度的浅扩散结一般可认为是突变结，而低表面浓度的深扩散结一般可认为是线性缓变结。,综上所述,P-N,结能带图,扩散,当半导体形成,P-N,结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从,P,区到,N,区，电子从,N,区到,P,区的扩散运动。,空间电荷,/,空间电荷区,对于,P,区空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，,在,P-N,结附近,P,区一侧出现了一个负电荷区,；,同理，,在,P-N,结附近,N,区一侧出现了,由电离施主构成的一个,正电荷区,，通常把在,P-N,结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为,空间电荷,，它们所存在的区域称为,空间电荷区,（也称之为,势垒区,）,内建电场,空间电荷区中的这些电荷产生了,从,N,区指向,P,区,，即从,正电荷指向负电荷,的电场，称之为内建电场（自建电场）。,漂移,在内建电场作用下，载流子作漂移运动。显然，电子和空穴的漂移运动方向与它们各自扩散运动的方向相反。,因此，内建电场起到阻碍电子和空穴继续扩散的作用。,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。,随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动逐渐加强，在没有外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终达到动态平衡，即从,N,区向,P,区扩散过去多少电子，同时就有同样多的电子在内建电场作用下返回,N,区。因而电子的,扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反,，从而相互抵消。对于空穴，情况完全相似。因此没有净电流流过,P-N,结，即净电流为零。,这时,空间电荷的数量一定,，,空间电荷区,不再继续扩展，,保持一定的宽度,，同时,存在一定的内建电场,。一般在这种情况下的,P-N,结称为热平衡状态下的,P-N,结（简称平衡,P-N,结）。,2.2,平衡,P-N,结,平衡,P-N,结的能带图,N,型、,P,型半导体的能带图，图中,E,Fn,和,E,Fp,分别表示,N,型和,P,型半导体的费米能级。,当两块半导体结合形成,P-N,结时，按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的,N,区流向费米能级低的,P,区，空穴则从,P,区流向,N,区。因而,E,Fn,不断下移,，而,E,Fp,不断上移,，直至,E,Fn,=E,Fp,。,这时，,P-N,结中有统一的费米能级,E,F,，,P-N,结处于平衡状态,，其能带图如图所示。,能带相对移动的原因是,P-N,结空间电荷区中存在内建电场的结果。,P-N,结的载流子分布,计算平衡,P-N,结中各处的载流子浓度时，取,P,区电势为零,，则势垒区中一点,x,的电势,V(x,),为正值，越接近,N,区的点，其电势越高，到势垒区边界,x,n,处的,N,区电势最高为,V,D,，如图所示。,图中,x,n,，,-x,p,分别为,N,区和,P,区势垒区边界。,对电子而言，相应的,P,区的电势能为,0,，,比,N,区的电势能,E(x,n,)=,E,cn,=-qV,D,高,qV,D,。,势垒区内点,x,处的电势能为,E(x,)=-,qV(x,),，,比,N,区高,qV,D,-qV(x,),。,n,n0,N,区平衡多数载流子,电子浓度,n,p0,P,区平衡少数载流子,电子浓度,p,n0,N,区平衡少数载流子,空穴浓度,p,p0,P,区平衡多数载流子,空穴浓度,平衡,P-N,势垒区电子,和空穴的浓度分布,当,x=-x,p,时，,V(x)=0,，,n(-x,p,),=,n,p0,当,x=-x,p,时，,V(x)=0,，,p(-x,p,),=,p,p0,同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼分布函数关系,耗尽层,室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但,载流子浓度比起,N,区和,P,区的多数载流子浓度小得多,，好像已经耗尽了，所以通常也称势垒区为耗尽层，即认为其中载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷密度就等于电离杂质浓度。,势垒区和接触电势差,从图中可以看出，在,P-N,结的空间电荷区中能带发生弯曲，电子从势能低的,N,区向势能高的,P,区运动时，必须克服这一势能“高坡”，才能达到,P,区；同理，空穴也必须克服这一势能“高坡”，才能从,P,区到达,N,区。这一势能“高坡”通常称为,P-N,结的势垒，故空间电荷区也叫,势垒区,。从图中还可以看出,P,区导带和价带的能量比,N,区的高,qV,D,。,V,D,称为,P-N,结的,接触电势差,。,在热平衡条件下求接触电势差,2.3,P-N,结直流特性,平衡,P-N,结,非平衡,P-N,结,一定宽度和势垒高度的势垒区；,内建电场恒定；,净电流为零；,费米能级处处相等。,当,P-N,结两端有外加电压时,外加直流电压下，,P-N,结势垒的变化及载流子的运动,正向偏压,P-N,结加正向偏压,V,（即,P,区接电源正极，,N,区接负极）,势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的,P,区和,N,区中载流子浓度很大，电阻很小，所以,外加正向偏压基本降落在势垒区,。正向偏压在势垒区中产生了,与内建电场方向相反,的电场，因而,减弱,了势垒区中的电场强度，这就表明,空间电荷相应减少,。故,势垒区的宽度也减小,，同时,势垒高度从,qV,D,下降为,q(V,D,-V),。,势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，削弱了漂移运动，使,扩散电流大于漂移电流,。,所以在加正向偏压时，产生了,电子从,N,区向,P,区以及空穴从,P,区到,N,区的净扩散电流,。,电子通过势垒区扩散入,P,区，在边界,x,p,处形成电子的积累，成为,P,区的非平衡少数载流子，结果使,x,p,处电子浓度比,P,区内部高，形成了,从,x,p,处向,P,区内部的电子扩散流,。,非平衡少子边扩散边与,P,区的空穴复合，经过,扩散长度,的距离后，全部被复合。这一段区域称为,扩散区,。,+,+,+,+,R,E,PN,结正向偏置,内电场,外电场,变薄,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。,在一定的正向偏压下，单位时间内从,N,区来到,x,p,处的非平衡少子浓度是一定的，并在扩散区内形成一稳定的分布。所以，,在正向偏压一定时，在,x,p,处就有一不变的向,P,区内部流动的电子扩散流,。,同理，,在边界,x,n,处也有一不变的向,N,区内部流动的空穴扩散流,。,N,区的电子和,P,区的空穴都是多数载流子，分别进入,P,区和,N,区后形成,P,区和,N,区的非平衡少数载流子。,当增大正偏压时，势垒降得更低，增大了流入,P,区的电子流和流入,N,区的空穴流，这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为,非平衡载流子的电注入,。,在假设通过势垒区的电子电流和空穴电流均保持不变的情况下，通过,P-N,结的总电流，就是,通过边界,x,p,的电子扩散电流与通过边界,x,n,的空穴扩散电流之和,。,反向偏压,当,P-N,结加反向偏压,V,时（,V0,）,（即,N,区接电源正极，,P,区接负极）,反向偏压在势垒区产生的电场,与内建电场方向一致,，,势垒区的电场增强,，,势垒区也变宽,，,空间电荷数量变多,，,势垒高度由,qV,D,增加为,q(V,D,-V),。,二、,PN,结反向偏置,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,N,P,+,_,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。,R,E,势垒区电场增强，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的原有平衡，增强了漂移运动，使,漂移流大于扩散流,。,这时，,N,区边界,x,n,处的空穴被势垒区的强电场驱向,P,区，而,P,区边界,x,p,处的电子被驱向,N,区。当这些少数载流子被电场驱走后，内部的少子就来补充，形成了反向偏压下的电子扩散电流和空穴扩散电流，这种情况好像少数载流子不断被抽出来，所以称为,少数载流子的抽取或吸出,。,P-N,结中,总的反向电流等于势垒区边界,x,n,和,x,p,附近的少数载流子扩散电流之和,。,因为少子浓度很低，而扩散长度基本没变化，所以反向偏压时少子的浓度梯度也较小；当反向电压很大时，边界处的少子可以认为是零。这时少子的浓度梯度不再随电压变化，因此扩散电流也不随电压变化，所以在反向偏压下，,P-N,结的电流较小并且趋于不变,。,外加直流电压下，,P-N,结的能带图（自学）,理想,P-N,假设条件,为了讨论,P-N,结伏安特性方便起见，先合理假设,P-N,结满足以下条件：,（,1,）,小注入条件,（即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多）；,（,2,）,突变耗尽层条件,：即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，注入的少数载流子在,P,区和,N,区是纯扩散运动；,（,3,）,通过耗尽层的电子和空穴电流为常量,，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用。,J,S,理想,P-N,结伏安特性表达式（电流电压关系式）,L,n,、,L,p,分别表示电子,和空穴的扩散长度,2-14,P-N,结具有单向导电性,在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈指数关系迅速增大,。,在室温下，,k,0,T/q=0.026V,，一般外加正向偏压约零点几伏，故,exp(qV/k,0,T)1,，式（,2-14,）可以表示为,在反向偏压下，,V0,，当,q|V,|,远大于,k,0,T,时，,exp(qV/k,0,T),趋于零，式（,2-14,）可表示为,负号表示电流密度方向与正向时相反；,反向电流密度为常量，与外加电压无关,。,-J,s,反向饱和电流密度,（,2-16,）,正向及反向偏压下，曲线是不对称的，,表现出,P-N,结具有,单向导电性,或,整流效应,。,实际反偏,P-N,结直流特性的补充说明,P-N,结反向扩散电流,P-N,结反偏时，,V0,，此时势垒边界处的非平衡少子浓度比平衡时小，势垒有抽取非平衡少子的作用，扩散电流方向是体内向边界处扩散。当,V,不变时，边界处非平衡少子的浓度一定，形成稳态扩散。,当反偏绝对值足够大时,，势垒边界处的非平衡少子几乎被抽取光了，此时边界少子浓度为零，与体内少子浓度的梯度不再随外加反向偏压的变化而变化，即,反向电流趋于饱和,。,P-N,结反向势垒产生电流,在反向偏压时，,实际测得的反向电流比理论计算值大得多,，而且,反向电流是不饱和的,，随反向偏压的增大略有增加。这说明理想电流电压方程式没有完全反映外加电压下的,P-N,结情况，还必须考虑其他因素的影响。其中的主要因素是存在反向势垒产生电流。,反偏时，势垒区内的电场加强，在势垒区内，由于热激发的作用，载流子产生率大于复合率，具有净产生，从而形成另一部分反向电流，称为势垒区的产生电流，以,I,G,表示。,表面对反向漏电流的影响,由于硅,P-N,结的势垒产生电流要比反向扩散电流大得多，所以可以用式（,2-17,）计算硅,P-N,结的反向漏电流，只要乘以,P-N,结结面积,A,即可。,但往往用这种方法计算得到的反向漏电流比实际测量得到的漏电流小很多，这说明我们还忽略了其他影响反向漏电流的重要因素。,这个因素就是半导体表面对反向漏电流的影响。,表面对反向漏电流的影响 主要表现在以下三个方面,表面漏电流,。,P-N,结沟道漏电流,。,表面复合电流,。,表面漏电流,实际生产中表面漏电流可能比体内电流大很多。,在,P-N,结的生产过程中，硅片表面很可能沾污一些金属离子（如钠离子）和水汽分子，这些金属离子和水汽分子相当于在半导体表面并联了一个附加的电导，它可以使电流从,N,区电极沿半导体表面直接流到,P,区的电极，从而引起反向漏电流的增加。,如果,表面沾污严重的话，由此引出的表面漏电流可能比势垒产生电流大得多，从而成为反向漏电流的主要成分,。,P-N,结沟道漏电流,硅平面器件通常是用二氧化硅层作保护的，一方面可以提高器件的稳定性和可靠性，另一方面也可以减小反向漏电流。,但如果二氧化硅层质量不好的话，会使半导体表面出现反型，形成反型沟道。（具体内容还会在本书第七章作详细介绍。）,反型沟道的存在相当于增大了,P-N,结的结面积，即势垒区面积增大，从而使势垒产生电流增大,。,表面复合电流,半导体存在一些具有复合中心作用的能级，一部分少数载流子将在表面通过这些复合中心能级复合掉，从而导致反向电流的增加。,综上所述，,P-N,结的反向电流包括,体内扩散电流,、,势垒产生电流,和,表面漏电流,三种成分。,在实际,P-N,结二极管中，往往是表面漏电流占了主要地位。因此，在生产过程中，,如何减小表面漏电流成了一个重要问题,，通常可以从以下三个工艺角度加以考虑。,所选用的材料尽量避免掺杂不均匀、位错密度过高和含有过多的有害杂质；,避免氧化层结构疏松和光刻中的针孔、小岛等问题；,注意工艺洁净度，如去离子水和化学试剂的纯度，特别应该注意减小钠离子的沾污。,2.4 P-N,结电容,P-N,结有整流效应，但是它又包含着破坏整流特性的因素。这个因素就是,P-N,结的电容。,一个,P-N,结在,低频,电压下，能很好地起整流作用，但是当,电压频率增高,时，其整流特性变坏，甚至基本上没有整流效应。这是因为,P-N,结具有电容特性。,讨论：,P-N,结为什么具有电容特性？,P-N,结电容的大小和什么因素有关？,P-N,结电容包括,势垒电容,和,扩散电容,两部分。,势垒电容,当,P-N,结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成，所以空间电荷的减少是由于,N,区的电子和,P,区的空穴过来中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主,。,这就是说，在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“,存入,”势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是由一部分电子和空穴从势垒区中“,取出,”。,对于加反向偏压的情况，可作类似分析。,P-N,结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的,“存入”和“取出”,作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个,电容器的充放电,作用相似。,这种,P-N,结的电容效应称为势垒电容，以,C,T,表示。,势垒电容,扩散电容,正向偏压时，有空穴从,P,区注入,N,区。当正向偏压增加时，由,P,区注入到,N,区的空穴增加，注入的空穴一部分扩散走了，一部分则增加了,N,区的空穴积累，增加了载流子的浓度梯度。,电子情况完全相同。,在外加电压变化时，,N,扩散区内积累的非平衡空穴也增加，与它保持电中性的电子也相应增加。,P,扩散区情况完全相同。,这种由于,扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化,所产生的电容效应，称为,P-N,结的扩散电容。用,C,D,表示。,实验发现，,P-N,结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化，表明它们是,可变电容,。为此，引入微分电容的概念来表示,P-N,结的电容。,当,P-N,结在一个固定直流偏压,V,的作用下，叠加一个微小的直流电压,dV,时，这个微小的电压变化,dV,所引起的电荷变化,dQ,，称为这个直流偏压下的微分电容，即,微分电容,P-N,结的直流偏压数值不同，,微分电容也不同。,突变结和线性缓变结的势垒电容，都与外加电压有关，这在实际当中很有用处。一方面可以制成,变容器件,；另一方面可以,用来测量结附近的杂质浓度和杂质浓度梯度,等。,小结,2.5 P-N,结击穿,实验发现，对,P-N,结施加的反向偏压增大到某一数值,V,BR,时，反向电流密度突然开始增大，此现象称为,P-N,结击穿,。,发生击穿时的反向偏压称为,P-N,结的击穿电压,，如图所示。,发生,P-N,结击穿的机理主要有以下几种,雪崩击穿,隧道击穿,热电击穿,(,热击穿,),雪崩击穿,当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的能量，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴（第一代载流子）。势垒区中电子碰撞出来一个电子和一个空穴（第二代载流子），于是一个载流子变成了三个载流子。这三个载流子在强电场作用下，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子,-,空穴对。空穴也如此产生第二代、第三代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁殖载流子的方式称为,载流子的倍增效应,。由于倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生,P-N,结击穿。这就是雪崩击穿的机理。,雪崩击穿除了,与势垒区中电场强度有关,外，还,与势垒区的宽度有关,，因为载流子动能的增加，需要有一个加速过程，如果势垒区很薄，即使电场很强，载流子在势垒区加速达不到产生雪崩倍增效应所必须的动能，就不能产生雪崩击穿。,雪崩击穿,隧道击穿,隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿机理。也称为,齐纳击穿,。,对于一定的半导体材料，势垒区中的,电场越大,，或,隧道长度越短,，则电子穿过隧道的几率越大。,一般杂质浓度,下，雪崩击穿机构是主要的。,杂质浓度高,时，反向偏压不高的情况就能发生隧道击穿，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。,小结,雪崩效应和隧道效应引起的击穿统称为,电击穿,。,2.6,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,P,N,二极管的电路符号：,二、伏安特性,U,I,死区电压 硅管,0.6V,锗管0,.2V,。,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管,0.2,0.3V,。,反向击穿电压,U,BR,三、主要参数,1.,最大整流电流,I,OM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.,反向击穿电压,U,BR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压,U,WRM,一般是,U,BR,的一半。,3.,反向电流,I,R,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,4.,微变电阻,r,D,i,D,u,D,I,D,U,D,Q,i,D,u,D,r,D,是二极管特性曲线上工作点,Q,附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，,r,D,是对,Q,附近的微小变化区域内的电阻。,5.,二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：,势垒电容,C,B,和,扩散电容,C,D,。,势垒电容：,势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是,势垒电容,。,扩散电容：,为了形成正向电流（扩散电流），注入,P,区的少子（电子）在,P,区有浓度差，越靠近,PN,结浓度越大，即在,P,区有电子的积累。同理，在,N,区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。,这样所产生的电容就是扩散电容,C,D,。,P,+,-,N,C,B,在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN,结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,r,d,2.6.2,半导体二极管的结构类型,在,PN,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,点接触型、面接触型和平面型,三大类。它们的结构示意图如图,01.11,所示。,(1),点接触型二极管,PN,结面积小，结电容小，,用于检波和变频等高频电路。,(a),点接触型,图,01.11,二极管的结构示意图,图,01.11,二极管的结构示意图,(c),平面型,(3),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,PN,结面积大，用,于工频大电流整流电路。,(b),面接触型,2.6.3,半导体二极管的伏安特性曲线,式中,I,S,为反向饱和电流，,V,为二极管两端的电压降，,V,T,=,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,V,T,=26 mV,。,半导体二极管的伏安特性曲线如图,01.12,所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示,(1.1),图,01.12,二极管的伏安特性曲线,(1),正向特性,硅,二极管的死区电压,V,th,=0.5 V,左右，,锗,二极管的死区电压,V,th,=0.1 V,左右。,当,0,V,V,th,时，正向电流为零，,V,th,称为死区电压或开启电压。,当,V,0,即处于正向特性区域。,正向区又分为两段：,当,V,V,th,时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,(2),反向特性,当,V,0,时，即处于反向特性区域。,反向区也分两个区域：,当,V,BR,V,0,时，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,I,S,。,当,VV,BR,时，反向电流急剧增加，,V,BR,称为,反向击穿电压,。,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。,硅二极管,的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；,锗二极管,的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,从击穿的机理上看，硅二极管若,|,V,BR,|7V,时,主要是雪崩击穿；若,|,V,BR,|4V,时,则主要是齐纳击,穿。当在,4V,7V,之间两种击穿都有，有可能获得,零温度系数点。,2.6.4,半导体二极管的等效模型,线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。,（,1,）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正,偏时二极管导通管压降为,0V,，,反偏时电阻无穷大，电流为零。,（,2,）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后，,其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值,为,0.7V,。,该模型提供了合理的近似，用途广泛,。注,意：二极管电流近似等于或大于,1mA,正确。,（,3,）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管,的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而,增加，模型中用一个电池和电阻,r,D,来作进一步,的近似，此电池的电压选定为二极管的门坎电压,Vth,，,约为,0.5V,，,r,D,的值为,200,欧。由于二极管的,分散性，,Vth,、,r,D,的值不是固定的。,（,4,）小信号模型：如果二极管在它的,V-I,特性的,某一小范围内工作，例如静态工作点,Q,（,此时有,u,D,=U,D,、,i,D,=I,D,）,附近工作，则可把,V-I,特性看成,一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型,的微变电阻,r,d,。,2.6.5,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,半导体二极管图片,2.6.6,二极管的应用,二极管：,死区电压,=0.5V,，,正向压降,0.7V(,硅二极管,),理想二极管：,死区电压,=0,，正向压降,=0,R,L,u,i,u,o,u,i,u,o,t,t,二极管的应用举例,1,：,二极管半波整流,二极管的应用举例,2,：,t,t,t,u,i,u,R,u,o,R,R,L,u,i,u,R,u,o,u,2,T,整流电路,R,L,D,1,D,4,D,3,D,2,A,、,工作原理,u,o,i,o,a,b,i,1,i,3,t,o,2,3,u,o,2,U,2,t,o,2,3,2,U,2,t,o,t,o,u,D,i,o,2,U,2,I,m,2,2,3,3,u,D1,u,D3,u,D4,u,D2,u,2,1.,单相桥式整流电路,？,若,2,断开时，,u,o,波形？,？,若,2,接反时，后果？,？,若,2,击穿短路时，后果？,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,u,o,u,D,i,o,2,3,2,U,2,2,U,2,2,U,2,I,m,2,2,3,3,u,2,u,D1,u,D3,u,D4,u,D2,B,、,电压、电流的计算,负载,直流电压,:,负载,直流电流,:,二极管,平均电流,:,二极管,最大反向电压,:,选用二极管的依据,:,I,F,I,D,U,R,U,DRM,二极管实际承受的参数,:,最大反向电压,:,平均电流,:,最大整流电流,最高反向工作电压,u,2,T,R,L,D,1,D,4,D,3,D,2,u,o,i,o,a,b,例,:,已知,解:,1.0AMPEREDO-41,1N4001,1.0,50,1N4002,1.0,100,1N4003,1.0,200,1N4004,1.0,400,1N4005,1.0,600,1N4006,1.0,800,1N4007,1.0,1000,1N4007*,1.0,1200,TYPE,I,F,U,R,I,F,I,D,U,R,U,DRM,P390,附录,III,2CZ52A 100mA 25V,u,2,T,R,L,D,1,D,4,D,3,D,2,u,o,i,o,a,b,MB104,技术参数为电流：,10A,电压：,400V,整流桥,u,2,T,R,L,D,1,D,4,D,3,D,2,u,o,i,o,a,b,u,o,t,o,2,3,2,U,2,t,o,i,o,I,m,2,3,可见,:,整流电路输出的是,脉动的,电压,只能用于对波形要求不 高的场合,:,电镀、电解及蓄电池充电等。,而对于大多数,电子设备,中的直流电源，需要,较平滑,的直流电压。,2.,有电容滤波的整流电路,A,、,工作原理,u,2,T,u,1,R,L,D,1,D,4,D,3,D,2,u,o,i,o,C,u,c,t,0,2,U,2,u,c,u,o,当负载电阻断开时，输出电压？,可见：,滤波,电容,使得输出电压,波形变平滑；,使输出电压的,平均值增加,C,u,c,u,2,T,u,1,R,L,D,1,D,4,D,3,D,2,u,o,i,o,t,o,i,D,u,o,2,U,2,o,t,t,1,t,4,t,3,t,2,D,1,D,3,D,2,D,4,D,1,D,3,可见：,通过二极管的电流是一个冲击电流,选二极管的条件：,U,o,=1.2,U,2,B,、,输出电压及元件参数选择,特点：带负载能力差。,适用于输出电压较高，,输出电流较小的场合。,u,2,T,u,1,R,L,D,1,D,4,D,3,D,2,u,o,i,o,C,u,c,一般取：,的选择,条件,：,3,有,电感,滤波的整流电路,T,u,o,u,2,R,L,L,t,u,o,u,o,、,i,o,i,o,o,2,3,u,1,u,o,I,O,u,o,电感,L,越大，滤波效果越好。,适用于负载电流较大，且变化大的场合。,4,复式,滤波电路,A,、,LC,滤波,电路,T,u,o,u,2,R,L,i,o,L,C,u,1,LC,滤波电路使输出电压波形更为平滑，,滤波效果较好。,T,u,2,R,L,u,1,B,、,型,滤波器,CLC,滤波器,CRC,滤波器,T,u,2,R,L,u,1,L,C,C,C,C,R,u,o,i,o,u,o,i,o,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图,01.14,所示。,特殊二极管包括稳压管、光电二极管、,发光二极管等，下面着重介绍稳压二极管。,2.6.7,特殊二极管,图,01.14,稳压二极管的伏安特性,(a),符号,(b),伏安特性,(c),应用电路,(b),(c),(a),从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1),稳定电压,V,Z,(2),动态电阻,r,Z,在规定的稳压管反向工作电流,I,Z,下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。,r,Z,愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,r,Z,=,V,Z,/,I,Z,(3),最大耗散功率,P,ZM,稳压管的最大功率损耗取决于,PN,结的面积和散热等条件。反向工作时,PN,结的功率损耗为,P,Z,=,V,Z,I,Z,，,由,P,ZM,和,V,Z,可以决定,I,Zmax,。,(4),最大稳定工作电流,I,Zmax,和最小稳定工作,电流,I,Zmin,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即,P,Zmax,=,V,Z,I,Zmax,。而,I,zmin,对应,V,Zmin,。若,I,Z,I,Zmin,则不能稳压。,(5),稳定电压温度系数,V,Z,温度的变化将使,V,Z,改变，在稳压管中当,V,Z,7,V,时，,V,Z,具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。,当,V,Z,4,V,时，,V,Z,具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。,当,4,V,V,Z,7,V,时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。,电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,U,I,I,Z,I,Zmax,U,Z,I,Z,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,+,-,U,Z,动态电阻：,r,z,越小，稳压性能越好。,（,4,）,稳定电流,I,Z,、,最大、最小稳定电流,I,zmax,、,I,zmin,。,（,5,）最大允许功耗,稳压二极管的参数,:,（,1,）,稳定电压,U,Z,（,2,）,电压温度系数,U,（,%/,）,稳压值受温度变化影响的的系数。,（,3,）动态电阻,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。,稳压二极管的应用举例,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,稳压管的技术参数,:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为,I,z,max,。,求：,电阻,R,和输入电压,u,i,的,正常值。,方程,1,令,输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为,I,z,min,。,方程,2,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,联立方程,1,、,2,，可解得：,I,F,U,F,0,U,Z,I,Zmin,I,Zmax,硅稳压管的主要参数,稳定电压,U,Z,最小稳定电流,I,Zmin,最大稳定电流,I,Zmax,动态电阻,r,Z,I,Z,U,Z,r,Z,=,I,Z,U,Z,U,o,u,2,R,L,I,o,u,1,C,D,Z,R,U,Z,I,R,I,Z,U,i,A,、,稳压管稳压电路的工作原理,2.,硅稳压管稳压电路,负载,整流,t,o,u,稳压,t,o,u,滤波,t,o,u,变压,t,o,u,交流电源,t,o,u,U,o,u,2,R,L,I,o,u,1,C,D,Z,R,U,Z,I,R,I,Z,U,i,u,2,U,i,U,o,=,U,Z,I,Z,I,R,U,R,U,o,A,、,稳压管稳压电路的工作原理,2.,硅稳压管稳压电路,U,i,=,U,R,+,U,O,交流电源,I,F,U,F,0,U,Z,I,Zmin,I,Zmax,I,Z,U,Z,电阻,R,的作用,:,限流,使,I,Z,I,Zmax,保护,Z,；,调节电压，保证稳压效果。,若稳压管接反了，有何后果？,U,o,U,R,L,I,o,u,1,C,D,Z,R,U,Z,I,R,I,Z,U,i,稳压管稳压电路的工作原理,2.,硅稳压管稳压电路,1,、整流：,U,=8V,;,U,i,=,0.9,U,=7.2V,2,、滤波：,U,i,=U,C,=,1.2,U,=9.6V,;,带负载时：,负载断开时：,、稳压：,U,i,=U,C,=,1.2,U,=9.6V,;,2.6.8,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,I,U,照度增加,发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,E,D,R,L,发光二极管,正向工作电压在,2V,左右,;,正向电流在,10mA,左右。,