二极管及其基本电路.ppt

1、第三章第三章 二极管及其基本电路二极管及其基本电路(P(P5454)基本要求基本要求：1 了解半导体器件内部物理过程；了解半导体器件内部物理过程；2 理解二极管工作原理、主要参数、使理解二极管工作原理、主要参数、使 用方法；用方法；3 掌握二极管外特性、二极管基本应用掌握二极管外特性、二极管基本应用 电路及其分析方法。电路及其分析方法。第三章第三章 二极管及其基本电路二极管及其基本电路 3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.2 PN3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.4 3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 3.5 3.5 特殊二极管特殊二极

2、管 3.3 3.3 二极管二极管 3.1半导体基本知识n半导体器件特点：半导体器件特点：体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。功率转换效率高。3.1.1 半导体材料半导体材料：（Semiconductor materials)(-cm)10+910-3导体导体如金属等如金属等绝缘体绝缘体如橡胶、塑料等如橡胶、塑料等典型半导体：典型半导体：硅硅SiSi、锗、锗GeGe、砷化镓、砷化镓GaAsGaAs等等 半导体半导体半导体的导电特性：半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏

3、电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻)掺杂性掺杂性掺杂性掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变。能力明显改变。能力明显改变。能力明显改变。光敏性：光敏性：光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。当受到光照时，导电能力明显变化。当受到光照时，导电能力明显变化。当受到光照时，导电能力明显变化。(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、可做成各种光敏元件，如光敏电阻、可做成各种光敏元件，如光敏电阻、可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等光敏二极管、光敏三极管等光敏二

4、极管、光敏三极管等光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：热敏性：热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。当环境温度升高时，导电能力显著增强。当环境温度升高时，导电能力显著增强。当环境温度升高时，导电能力显著增强。(可做成各种不同用途的半导体器件，可做成各种不同用途的半导体器件，可做成各种不同用途的半导体器件，可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。如二极管、三极管和晶闸管等）。如二极管、三极管和晶闸管等）。如二极管、三极管和晶闸管等）。3.1.2 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 简化模型 最外层上的电子，决定了物质的化学特性和导电性；Si硅原子

5、硅原子Ge锗原子锗原子 1 1、SiSi、GeGe的原子结构的原子结构 价电子：惯性核 3.1.2 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2 2、共价键、共价键硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构共价键共价键共用电子对共用电子对+4+4+4+4+4+4表示表示惯性核惯性核3.1 3.1 半导体基本知识半导体基本知识 3.1.33.1.3 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 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征完全纯净的、

6、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。半导体。半导体。半导体。晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构共价健共价健共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为价电子价电子价电子价电子。Si Si Si Si价电子价电子 Si Si Si Si价电子价电子 价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，（温度升高或受光照）后，（温度升高或受光照）后，（温度升高或受光照）

7、后，即可挣脱原子核的束缚，即可挣脱原子核的束缚，即可挣脱原子核的束缚，即可挣脱原子核的束缚，成为成为成为成为自由电子自由电子自由电子自由电子（带负电），（带负电），（带负电），（带负电），同时共价键中留下一个空同时共价键中留下一个空同时共价键中留下一个空同时共价键中留下一个空位，称为位，称为位，称为位，称为空穴空穴空穴空穴（带正电）（带正电）（带正电）（带正电）。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴 温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。生的自由

8、电子便愈多。生的自由电子便愈多。生的自由电子便愈多。自由电子自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本

9、征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：两部分电流：两部分电流：两部分电流：1 1）自由电子作定向运动）自由电子作定向运动）自由电子作定向运动）自由电子作定向运动 电子电流电子电流电子电流电子电流 2 2）价电子递补空穴）价电子递补空穴）价电子递补空穴）价电子递补空穴 空穴电流空穴电流空穴电流空穴电流 1.1.本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；本征半导体中载流子数

10、目极少，其导电性能很差；本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；2.2.温度愈高，温度愈高，温度愈高，温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能载流子的数目愈多，半导体的导电性能载流子的数目愈多，半导体的导电性能载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。也就愈好。也就愈好。也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和自由电子和自由电子和自由电子和空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。自由电子和自由电子和自由电子和自由电子和空穴成对地产

11、生的同时，又不断复合空穴成对地产生的同时，又不断复合空穴成对地产生的同时，又不断复合空穴成对地产生的同时，又不断复合 在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。半导体中载流子便维持一定的数目。半导体中载流子便维持一定的数目。半导体中载流子便维持一定的数目。注意：注意：注意：注意：3.1.4 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，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

12、生显著变化。可使半导体的导电性发生显著变化。N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷）P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼）掺入的杂质主要是三价或五价元素。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掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。3.1 3.1 半导体基本知识半导体基本知识 1.N1.N型半导体型半导体 多余的一个价电子因多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形无共价键束缚而很容易形成成自由电子自由电子。在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原它主要由杂质原子提供

13、子提供；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。五价杂质原子只有四个五价杂质原子只有四个价电子能与周围四个半导体价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键原子中的价电子形成共价键硅硅(锗锗)+磷磷 N型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个电子失去一个电子变为正离子变为正离子 2.P2.P

14、型半导体型半导体 在在P型半导体中型半导体中空穴是空穴是多数载流子，多数载流子，它主要由掺杂它主要由掺杂形成形成；自由自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。三价杂质质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。因缺少一个价电子而在因缺少一个价电子而在共价键中留下一个共价键中留下一个空穴空穴。空穴空穴SiSiSiB 三价杂质原子在与三价杂质原子在与硅原子形成共价键硅原子形成共价键硅硅(锗锗)+硼硼 P型半导体型半导体 3.1.4 3.1.4 杂质半导体杂质半导体杂质半导体的示意表示

15、法杂质半导体的示意表示法+3.1.4 3.1.4 杂质半导体杂质半导体P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体3.1 3.1 半导体基本知识半导体基本知识 3.2.1 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散3.2 PN3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性漂移运动：由于电场作用而导致载流子的运动漂移运动：由于电场作用而导致载流子的运动扩散运动：载流子由高浓度区域向低浓度区扩散运动：载流子由高浓度区域向低浓度区 域移动的现象域移动的现象空穴的移动方向与电场方向相同电子的移动方向与电场方向相反P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动3.2.2 PN3.

16、2.2 PN结的形成结的形成 扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。3.2 PN3.2 PN结的形成及其特性结的形成及其特性漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。3.2.2 PN3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2 PN3.2 PN结的形成及其特性结的形成及其特性 因浓度差因浓度差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 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成