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文檔簡介
(1-1)
半導體二極管及其應用(1-2)第一章半導體二極管及其應用§1.1
半導體的基本知識§1.2
半導體二極管§1.3半導體二極管的型號與檢測§1.4
半導體二極管的應用§1.5
特殊二極管簡介(1-3)1.1.1半導體的基本知識導體:自然界中容易導電的物質稱為導體,金屬一般都是導體。絕緣體:不導電的物質,稱為絕緣體,如橡膠、陶瓷、玻璃、和塑料等。半導體:另有一類物質的導電性能介于導體和絕緣體之間,稱為半導體,常用的半導體材料是鍺和硅。§1.1半導體的基本知識(1-4)半導體的三個奇妙特性:光敏特性、熱敏特性和摻雜特性1、光敏特性:即半導體的導電能力對光照輻射很敏感。對半導體施加光線照射時,光照越強,等效電阻越小,導電能力越強。利用半導體的光敏性,可以制成光敏檢測元件,如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池等,可用于路燈、航標燈的自動控制或制成火災報警裝置、光電控制開關等。(1-5)2、熱敏特性:即半導體的導電能力對溫度很敏感。溫度升高,將使半導體的導電能力大大增強。例如,純鍺,溫度每升高10℃它的導電能力要增加一倍(電阻率會減少到原來的一半)。利用半導體對溫度十分敏感的特性,可以制成自動控制中常用的熱敏電阻(是負溫度系數)及其它熱敏元件。(1-6)3、摻雜特性“雜質”可以顯著改變(控制)半導體的導電能力。這里所說的“雜質”是指人為地、有目的的、在純凈的半導體(通常稱本征半導體)中摻入的極其微量的三價或五價元素(如硼、磷)。在本征半導體中摻入微量的雜質元素,則它的導電能力將大大增強。例如在純硅中摻入一億分之一的硼元素,其導電能力可以增加兩萬倍以上。利用摻雜半導體可以制造出晶體二極管、晶體三極管、場效應管、晶閘管和集成電路等半導體器件。
這也說明,任何東西的特性本身無所謂好壞,主要是看人們如何去利用它們。(1-7)一、本征半導體的結構特點GeSi本征半導體是純凈的不含雜質的晶體結構完整的半導體,硅和鍺,它們的最外層電子(價電子)都是四個。(1-8)半導體是晶體結構在硅和鍺晶體中,原子按四角形系統組成晶體點陣,每個原子都處在正四面體的中心,而四個其它原子位于四面體的頂點,每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵,共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構:(1-9)硅和鍺的共價鍵結構示意圖共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子核和內層電子(1-10)共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中,稱為束縛電子,常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子,因此本征半導體中的自由電子很少,所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后,每個原子的最外層電子是八個,構成穩定結構。共價鍵有很強的結合力,使原子規則排列,形成晶體。+4+4+4+4(1-11)在絕對0度(T=0K)和沒有外界激發時,價電子完全被共價鍵束縛著,本征半導體中沒有載流子(即載有電荷并可以參與導電的粒子),相當于絕緣體。在常溫下,由于熱激發,使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛,成為自由電子,同時共價鍵上留下一個空位,稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴(1-12)+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子(1-13)2.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下,空穴吸引附近的電子來填補,這樣的結果相當于空穴的遷移,而空穴的遷移相當于正電荷的移動,因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數量相等的兩種載流子,即自由電子和空穴。(1-14)溫度越高,載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強,溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素,這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成:
1.自由電子移動產生的電流。
2.空穴移動產生的電流。(1-15)在本征半導體中摻入某些微量的雜質,就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P型半導體:空穴濃度大大增加的雜質半導體,也稱為(空穴半導體)。N型半導體:自由電子濃度大大增加的雜質半導體,也稱為(電子半導體)。(1-16)一、N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷(或銻),晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代,磷原子的最外層有五個價電子,其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵,必定多出一個電子,這個電子幾乎不受束縛,很容易被激發而成為自由電子,這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子,稱為施主原子。(1-17)+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導體中的載流子是什么?1.由施主原子提供的電子,濃度與施主原子相同。2.本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度,所以,自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流子(多子),空穴稱為少數載流子(少子)。(1-18)二、P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素,如硼(或銦),晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代,硼原子的最外層有三個價電子,與相鄰的半導體原子形成共價鍵時,產生一個空穴。這個空穴能吸引束縛電子來填補,使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子,所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導體中空穴是多子,電子是少子。(1-19)三、雜質半導體的示意表示法------------------------P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數量的關系,起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。(1-20)1.1.
2PN
結的形成在同一片半導體基片上,分別制造P型半導體和N型半導體,經過載流子的擴散,在它們的交界面處會形成一個特殊的導電薄層,這個特殊的導電薄層稱為PN結。(1-21)P型半導體------------------------N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬,空間電荷區越寬。內電場越強,就使漂移運動越強,而漂移使空間電荷區變薄??臻g電荷區,也稱耗盡層。(1-22)漂移運動P型半導體------------------------N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡,相當于兩個區之間沒有電荷運動,空間電荷區的厚度固定不變。(1-23)PN結的兩極之間有電容,此電容由兩部分組成:勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘電容:勢壘區是積累空間電荷的區域,當電壓變化時,就會引起積累在勢壘區的空間電荷的變化,這樣所表現出的電容是勢壘電容。擴散電容:為了形成正向電流(擴散電流),注入P區的少子(電子)在P
區有濃度差,越靠近PN結濃度越大,即在P區有電子的積累。同理,在N區有空穴的積累。正向電流大,積累的電荷多。這樣所產生的電容就是擴散電容CD。P+-N(1-24)PN結高頻小信號時的等效電路:勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd(1-25)------------------------++++++++++++++++++++++++空間電荷區N型區P型區電位VV0(1-26)1.空間電荷區中沒有載流子。2.空間電荷區中內電場阻礙P區中的空穴.N區
中的電子(都是多子)向對方運動(擴散運動)。3.P區中的電子和N區中的空穴(都是少子,數量有限,因此由它們形成的電流很小。注意:(1-27)
PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是:P區電位高于N區電位。
PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是:
P區電位低于N區電位。(1-28)----++++RE一、PN結正向偏置內電場外電場變薄PN+_內電場被削弱,多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。(1-29)二、PN結反向偏置----++++內電場外電場變厚NP+_內電場被被加強,多子的擴散受抑制。少子漂移加強,但少子數量有限,只能形成較小的反向電流。RE(1-30)1.
2半導體二極管PN結加上管殼和引線,就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結面接觸型陽極陰極二極管的電路符號:1.2.
1半導體二極管的結構和符號(1-31)二極管的主要特性---單向導電1、二極管的偏置:二極管單向導電的特性,只有外加一定極性的電壓(稱為偏置)才能表現出來。陽極電位高于陰極電位稱為二極管的正向偏置,反之稱為反向偏置。2、二極管的主要特性:單向導電,即正向導通,反向截止?;蛟唬褐荒芤粋€方向導電,另一個方向不導電,即由陽極向陰極可以順利的流電流,反方向不流電流。只能一個方向電,(1-32)UI死區電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR1.2.
3二極管的伏安特性(1-33)1.最大整流電流
IFM在規定的環境溫度和散熱條件下,二極管長期使用時,所允許流過二極管的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓URM通常稱耐壓值或額定工作電壓,是指保證二極管截止的條件下,允許加在二極管兩端的最大反向電壓。手冊上給出的最高反向工作電壓URM一般是擊穿電壓UBR的一半。1.2.
4二極管的主要參數(1-34)3.反向電流
IR指二極管未擊穿時的反向電流。反向電流越小越好。通常反向電流數值很小,但受溫度影響很大,溫度越高反向電流越大,一般溫度每升高10o,反向電流約增大一倍。硅管的反向電流較小,鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。4.最最高工作頻率fM
指保證二極管導向導電作用的最高工作頻率。當工作頻率超過fM時,二極管將失去導向導電性。(1-35)所謂理想二極管也就是最好的二極管,即:1.正向導通時死區電壓和導通壓降均為零,正向導通電流為無窮大。相當于理想開關閉合。2.反向截至時,反向電流為零,反向擊穿電壓為無窮大。相當于理想開關斷開。1.2.
5理想二極管(1-36)RLuiuouiuott4半導體二極管的應用1.4.1
二極管整流電路(1-37)二極管的用舉例2:tttuiuRuoRRLuiuRuo(1-38)1.5.1
穩壓二極管UIIZIZmaxUZIZ曲線越陡,電壓越穩定。+-UZ動態電阻:rz越小,穩壓性能越好。§1.5特殊二極管簡介(1-39)穩壓管的主要特性
穩壓管在反向擊穿狀態下,流過管子的電流在較大范圍內變化時,而管子兩端電壓卻基本不變;或曰:穩壓管在反向擊穿狀態下,管子兩端電壓只要有微小的變化,就會引起通過穩壓管的電流有很大的變化。這是穩壓管的主要特性。(1-40)(4)穩定電流IZ、最大、最小穩定電流Izmax、Izmin。(5)最大允許功耗穩壓二極管的參數:(1)穩定電壓
UZ(2)電壓溫度系數U(%/℃)
穩壓值受溫度變化影響的的系數。(3)動態電阻(1-41)負載電阻。要求當輸入電壓由正常值發生20%波動時,負載電壓基本不變。穩壓二極管的應用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩壓管的技術參數:解:令輸入電壓達到上限時,流過穩壓管的電流為Izmax。求:電阻R和輸入電壓ui的正常值。——方程
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