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第1章晶体二极管解读

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第1章 晶体二极管

第1章 晶体二极管

+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
束缚电子
+4
在绝对温度T=0K时， 时 在绝对温度 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中， 紧紧束缚在共价键中，不 自由电子， 会成为自由电子 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 接近绝缘体。 ，接近绝缘体。
+4
+4
+4
+4
空穴
+4
自由电子
+4
+4
N 区中空穴 浓度分布
极间电容（结电容） 极间电容（结电容）
Ln
x
Lp
电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来
1.3 晶体二极管电路的分析方法 一、晶体二极管模型
结构
二极管 = PN结 + 管壳 + 引线 结
P N
符号
+
阳极
阴极
1. 二极管结构
PN结面积小，结电容小， 结面积小，结电容小， 结面积小 用于检波和变频等高频电路
PN结具有单向导电性 结具有单向导电性
动画演示1 动画演示1 动画演示2 动画演示
3. PN结的伏安特性 . PN结的伏安特性 根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图 根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图
IF（多子扩散） 多子扩散） 反向饱和电流 反向击穿电压 正偏
反偏 反向击穿 IR（少子漂移） 少子漂移） 自学：PN结的击穿特性 （P18） 思考：温度升高时，曲线有何变化？
si
Ge Ge
+4 +4
硅原子

《晶体二极管》PPT课件 (2)

《晶体二极管》PPT课件 (2)
在本征半导体中，掺入少量的三价元素杂质(硼、镓、 锢或铝等)则可使晶体中的空穴浓度大大增加，把这种 半导体称为P型半导体。
空穴称为多数载流子， 简称为多子；自由电子 称为少数载流子，简称 为少子。
7
（3）、多子和少子热平衡浓度
多子浓度约等于掺杂浓度。
当温度一定时，两种载流子的热平 衡浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度 值n i 的平方。
整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。硅和锗的单 晶称为本征半导体，它是制造半导体器件的基本材料。
3
（2）、本征激发和复合
价电子从外界获得能量，将挣脱共价键的束缚成为自 由电子，简称为电子。同时，在共价键中留下了空位， 称为空穴，（自由电子和空穴统称为载流子）这种现 象称为本征激发 。
半导体的温度特性。 复合是激发的逆过程。
导体为容易传导电流的物质，如银、铜、 铝等金属。
绝缘体为几乎不传导电流的物质，如橡 胶、陶瓷、塑料……等。
半导体是导电能力介于导体和绝缘体之 间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓 (GaAs)等。
2
1-1-1 本征半导体
（1）、本征半导体
硅和锗原子的简化模型
硅和锗晶体共价键结构示意图
将硅和锗提纯后制成晶体，其相邻原子之间靠共价键结合，
本征激发产生自由电子-空穴对
4
（3）、热平衡载流子浓度
当温度一定时，上述本征激发和复合在某一热平衡
载流子浓度值 n i（单位体积内的载流子数）上达到动
态平衡。
其值随温度升高而迅速增大，在室温附近，温度
每升高8℃时，硅的 n i 增加一倍、温度每升高12℃时， 锗的 n i 增加一倍，近似计算时认为温度每升高10℃ 时 n i 增大一倍。利用这种特性，本征半导体可以制 成热敏元件。另外，光照增强时 n i 也增大，导电能

第1章 半导体二极管和晶体管

第1章 半导体二极管和晶体管

型求出 IO 和 UO 的值。
+ UD -
解:
1、理想模型
UO = V = 6 V
E
IO = E / R = 6 / 6 = 1 (mA)
+
2 V ID
R UR
6KΩ
-
2、恒压降模型
UO = E – UD = 6 0.7 = 5.3 (V) IO = UO / R = 5.3 / 6 = 0.88 (mA)
反向击穿电压 I/mA 反向饱和电流
硅几 A
锗几十~几百 A UBR
硅管的温度稳
IS
O
U/V
定性比锗管好 反向 饱和电流
36
（二）极间电容
第三节、半导体二极管
C
1、PN结存在等效结电容
PN结中可存放电荷,相 当一个电容。
PN
+ ui –
R
– 2、对电路的影响：外加交流电源
+
时，当频率高时，容抗小，对PN
14
第一节、半导体的导电特性
N型半导体
多一个 价电子
4
+5
4
掺杂
4
4
4
15
本征激发
第一节、半导体的导电特性
N型半导体
4
+5
4
掺杂
正离子
电子
4
4
4
多子-------电子 少子-------空穴
N型半导体示意1图6
第一节、半导体的导电特性
P型半导体
多一个 空穴
4
+3
4
掺杂
4
4
4
17
本征激发
第一节、半导体的导电特性

第1章 晶体二极管

第1章 晶体二极管

+
I
D
外电场
+ 当外加电压增大时，多子被推向耗尽区，使正、负离 子减少，相当于存贮的电荷量减少；当外加电压减小时，
多子被推离耗尽区，使正、负离子增多，相当于存贮的电
荷量增加。
第1章 半导体二极管及其电路分析
二、扩散电容
正向偏置的 PN 结，由于多子扩散，会形成
一种特殊形式的电容效应。
非平衡少数 载流子 平衡少数载 流子
面积、材料和散热情况。
通常取UBR的一半作为URM 。
第1章 半导体二极管及其电路分析
五、反向电流 IR
IR 指二极管未击穿时的反向电流。 IR越小，单向
导电性能越好。IR 与温度密切相关，实际使用时应注 意IR的温度条件。 六、最高工作频率fM fM 是与结电容有关的参数。工作频率超过fM 时， 二极管的单向导电性能变坏。
第1章 半导体二极管及其电路分析
1. 本征半导体
(1) 定义：纯净的且具有完整晶体结构的半导体 (2) 原子结构简化模型
＋4
图 1.1 硅和锗原子结构简化模型
第1章 半导体二极管及其电路分析
（3）本征半导体共价键晶体结构
价电子不仅受到自 身原子核的作用, 同 时还受到相邻原子 核的吸引。于是, 两 个相邻的原子共有 一对价电子, 组成共 价键结构。故晶体 中, 每个原子都和周 围的4个原子用共价 键的形式互相紧密 地联系起来,
反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。
第1章 半导体二极管及其电路分析
1.2.3 二极管(PN结)的电容效应
Q 按电容的定义: C U dQ 或 C dU
即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容效应。
PN结两端加上电压, PN结内就有电荷的变化, 说明PN结

第1章--电力晶体管和晶闸管

第1章--电力晶体管和晶闸管
Ｉ，对应为0.4V～1.2V共九个组别。 2) 维持电流 IH ：使晶闸管维持导通所必需的最小电流
一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高， 则IH越小
3) 擎住电流 IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发 信号后， 能维持导通所需的最小电流。 对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。
IG2 > IG1 > IG =0
UBO UA
雪崩 击穿
图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
16
IA
四、晶闸管的阳极伏安特性
正向 导通
1) 正向特性
URSM URRM -UA
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻
断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向
J1 J2 J3
K
a)
b)
图1-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
K G
A c)
11
晶闸管的管耗和散热：
管耗＝流过器件的电流×器件两端的电压
管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超 过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热 和冷却。
冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风 扇）、水冷
雪崩 击穿
UDSM
电电压流超急过剧临增界大极，限器即件开正通向。转折电压Ubo，则漏
-IA
图1-5 晶闸管的伏安特性
随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降
IG2>IG1>IG
低。
导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相 仿。
晶闸管本身的压降很小，在1V左右。

第一章二极管-PPT课件

第一章二极管-PPT课件

本征半导体：
四价元素
外层四个电子
原子实或惯性核 为原子核和内层电子组成
价电子为相邻两原子所共有
3.本征激发：
本征激发 电子空穴 成对产生
自由电子（带负电-e)
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
4.载流子 ：自由 +4 运动的带电粒子：
电子带负电： +4 －e=-1.6×10-19c,
空穴带正电:
e=1.6×10-19c.
锗管UD(ｏn)=0.2V。
（2）反向特性： 二极管两端加上反向 电压时，反向饱和电流IS很小（室温下， 小功率硅管的反向饱和电流IS小于0.1μA。 （3）反向击穿特性 二极管两端反向电压 超过U(BR)时，反向电流IR随反向电压的增大 而急剧增大， U(BR) 称为反向击穿电压。
（5）齐纳击穿：由高浓度掺杂材料制成的PN结中耗尽区宽度很窄，即使反向电
压不高也容易在很窄的耗尽区中形成很强的电场，将价电子直接从共价键中拉出 来产生电子-空穴对，致使反向电流急剧增加，这种击穿称为齐纳击穿。
§1 .2 二极管的特性及主要参数 一、 半导体二极管的结构和类型
构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode) 符号：阳极（正极） 阴极（负极） 分类： 1.根据材料 硅二极管、锗二极管 2.根据结构 点接触型、面接触型、平面型 1．二极管的结构和符号
空穴（带正电+e)
5.复 合： 自由电子和空穴在运动 中相遇重新结合成对消 失的过程。 电子电流:IN
空穴电流:IP 共有电子 递补运动
+4
+4

第1章晶体二极管及其基本电路

第1章晶体二极管及其基本电路
I=In+Ip 漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移
第1章 晶体二极管及其基本电路
二、
在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不 均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作 扩散运动，从而形成扩散电流。
半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子 的浓度差(即浓度梯度)。浓度差越大，扩散电流越大， 而与该处的浓度值无关。反映在浓度分布曲线上(见图 1–6)，即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率 dn(x)/dx(dp(x)/dx)。
第1章 晶体二极管及其基本电路
由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区 也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩 散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区 或势垒区。
实际中，如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗 尽区相对界面对称，称为对称结，见图1–7(b)。如果 一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)， 则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂 区 ) 。 这 时 耗 尽 区 主 要 伸 向 轻 掺 杂 区 一 边 ， 如 图 1-8(a),(b)所示。
第1章 晶体二极管及其基本电路
耗尽区
耗尽区
P＋
N
P
N＋
(a)
(b)
图1–8不对称PN结
第1章 晶体二极管及其基本电路
1–2–2 PN 一、PN 使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电
压或正向偏置(简称正偏)，如图1--9所
第1章 晶体二极管及其基本电路
耗尽区
＋
内电场
－
U
UB－UEFra bibliotekR图1–9 正向偏置的PN结
第1章 晶体二极管及其基本电路

第1章晶体二极管

第1章晶体二极管

PN结反偏动画演示
P区
N区
➢ PN结—单向导电特性（反偏截止）
内建电场E
PN结反偏 阻挡层变宽 内建电场增强 少子漂移>>多子扩散
P+
N
IR
lo
-+
V
IR与V 近似无关。
温度T 电流IR
பைடு நூலகம்
少子漂移形成微小的反向电流IR
PN结截止
总之：PN结正向电阻小，反向电阻大。
PN结具有单向导电特性。
二极管 ：一个PN结就是一个二极管。 单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源 负极时电流可以通过。反之电流不能通过。 符号：
➢ PN结——伏安特性方程式
PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：
V
I IS (eVT 1)
V
正偏时：I ISeVT V反>偏>时VT： I IS V<0
其中：
热电压 VT
kT q
26mV（室温）
IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但 受温度影响很大。
PN结的数学模型中的参数说明：
半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。 硅 ( Si ) 、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型：
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电 子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。
惯性核
+14 2 8 4
+32 2 8 18 4
+4
价电子
硅和锗共价键结构示意图：
共价键
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
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半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 （电阻率在10-3～109Ω·cm之间），称为半导体， 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
1.1.1 本征半导体
原子结构及简化模型
半导体的导电性能与它的原子结构有关。
2020/11/17
5
第1章 晶体二极管
元素的许多物理和化学性质都是由价电子决定的。 价电子
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
2020/11/17
11
第1章 晶体二极管
在室温下杂质原子电离
+4
+4
+4
为一价正离子，但不是载流
自由电子
子。能施放自由电子的杂质
称为施主杂质。
+4
+45
+4
自由电子浓度远大于空
施主原子
穴的浓度，即 n0 >> p0 。
+4
图 1.1.4
+4
+4
包括本征激发
自由电子和电
离自由电子
N 型半导体
自由电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少
数载流子(简称少子)。
2020/11/17
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第1章 晶体二极管
二、 P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、
镓、铟等，即构成 P 型半导体。
3 价杂质原子称为
+4
+4
+4
受主原子。
空穴
+4
+34
+4 受主
原子
空穴浓度多于电子 浓度，即 p0>>n0。空穴
4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。
ห้องสมุดไป่ตู้
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
图 杂质半导体的的简化表示法
2020/11/17
14
第1章 晶体二极管
三、 多子和少子热平衡浓度
N型杂质半导体中多子与少子之间的定量关系服从 两个关系式：
1、满足相应的热平衡条件 当温度一定时，两种载流子的热平衡浓度值的相乘积
为多数载流子，电子为
+4
+4
+4
少数载流子。
图 1.1.5 P 型半导体
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13
说明：
第1章 晶体二极管
1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少 数载流子的浓度。
2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体， 因而其导电能力大大改善。
3. 杂质半导体总体上保持电中性。
2020/11/17
2
第1前章 晶言体二极管
因此，要掌握各种功能电路的工作原理、性能特点， 首先要了解各种半导体器件的外特性，掌握器件在不同条 件下的等效模型及分析方法；然后再根据外部电路提供的 条件，分析电路的功能和所能达到的性能。
本章在简要了解半导体基本知识的基础上，重点掌握 器件的外特性。熟悉三极管的各种模型，并会利用模型分 析功能电路。
+4
自由电子 +4
但很微弱。
+4
+4
+4
空穴可看成带正电的
载流子，半导体中有两种 载流子。
图 1.1.2 本征半导体中的 自由电子和空穴
2020/11/17
8
第1章 晶体二极管
三、热平衡载流子浓度
本征激发
复合
当温度不变时，达到动态平衡，即热平衡
在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且
自由电子浓度n0与空穴的浓度p0相等，它们统称为本征载流子
4. ni相对于原子密度只有三万亿分之一，因此，本征半 导体的导电能力很微弱。
鉴于以上两缺点，本征半导体不宜直接用于制造半导体 器件。
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10
第1章 晶体二极管
1.1.2 杂质半导体
杂质半导体有两种
N 型半导体 P 型半导体
一、 N 型半导体(Negative)
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如 磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型 半导体)。
2020/11/17
+4
+4
+4
图 1.1.2 本征半导体结构示意图
7
第1章 晶体二极管
二、本征激发和复合
若T，将有少数价电
T
子克服共价键的束缚成为
自由电子，在原来的共价 +4
+4
+4
键中留下一个空位——空
穴。这种现象称为本征 （热）自激由发电。子 和 空 穴 使 本 征半导体具有导电能力，
空穴
+4
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3
第1章 晶体二极管
锗二极管
稳压二极管
LED LD
固体放电二极管
整流二极管
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4
第1章 晶体二极管
1.1 半导体物理基础知识
导体：自然界中很容易导电的物质（电阻率在10-4Ω·cm以下） 称为导体，金属一般都是导体。。
绝缘体：有的物质几乎不导电（电阻率在1010Ω·cm以上）， 称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。。
浓度ni，即有ni2 = n0 p0 。
3 Eg0
本征半导体中载流子的热平衡浓度值： ni AT 2e 2kT
本征半导体中载流子的浓度取决于禁带宽度Eg0和温度T。
T=300 K时，本征硅的载流子浓度: ni = 1.5×1010cm-3， 本征锗的载流子浓度: ni = 2.4×1013cm-3；当温度每升高11℃ ，本征硅的增加一倍，温度第升高12℃，本征锗的增加一倍。
+s1i4
G+3e2
+44
惯性核
Si原子
Ge原子
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6
第1章 晶体二极管
一、本征半导体
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导
体称为本征半导体。
+4
+4
+4
将硅或锗材料提纯便
价
形成单晶体，它的原 共
价
子结构为共价键结构。 键
+4
+4
电 子
+4
当温度 T = 0 K 时， 半导体不导电，如同 绝缘体。
恒等于本征载流子浓度值ni的平方。 n0 p0 ni2
2、满足电中性条件
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小结
第1章 晶体二极管
带负电的自由电子
1. 本征半导体中两种载流子
带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对，故有n0 = p0 即ni2 = n0 p0 。
3. 本征半导体的载流子浓度对温度非常敏感，因此，半 导体器件的工作易受温度影响。
第1章 晶体二极管
第1章 晶体二极管
1.1 半导体物理基础知识 1.2 PN结 1.3 晶体二极管电路的分析方法 1.4 晶体二极管的应用 1.5 其他二极管*
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1
第1前章 晶言体二极管
无论何种用途的电子系统，均由各种功能的电子线路组 成。电子线路是指有电子器件、并能对电信号实现某种功 能处理的电路，它由电子器件加外围电路构成。常用的电 子器件有：晶体（半导体）二极管、三极管、场效应管、 集成电路等。外围电路主要由直流电源、电阻、电容以及 集成电路中常用的电流源电路等组合而成。不同半导体器 件具有不同的特性。而同一种半导体器件，当外围电路提 供不同条件时，电路又会呈现不同的功能。