PN结及半导体二极管

目的要求： 

           1.理解PN结的形成机理

           2.掌握PN结、二极管的单向导电特性

           3.了解稳压二极管和特种二极管的特点

           4.了解二极管和稳压二极管的用途

 重点难点：

           重点：二极管的结构、特征和参数

           难点：PN结的形成

 教学方法

          手段：结合电子课件讲解

          教具：电子课件、计算机、投影屏幕

复习提问： 

          1.半导体的导电能力与那些因素有关？

          2.P型和N型半导体的特点？

课堂讨论  

          1. 同温下，硅二极管和锗二极管的特性相同吗？

          2. 同一只二极管，当温度不同时，其特性相同吗？

3.PN结为何具有单向导电特性？

授课内容

1.2.1 PN结的形成

在特殊工艺条件下，P型和N型半导体交界面处所形成的空间电荷区，称为PN结.

一. 多数载流子的扩散

在P型和N型半导体交界面两侧,电子和空穴的浓度差很大。在浓度差的作用下，P区中的多子空穴向N区扩散,在P区一侧留下杂质负离子,在N区一侧集中正电荷;同时，N区中的多子自由电子向P区扩散，在N区一侧留下杂质正离子，在P区一侧集中负电荷。结果，在P型和N型半导体交界面处形成空间电荷区，自建内电场ε内（从N区指向P区），如图1-6所示。

二. 少数载流子的漂移

在内电场的作用下，P区中的少子自由电子向N区漂移，而N区中的少子空穴向P区飘移，使内电场削弱。

三. 扩散与漂移的动态平衡

当内电场达到一定值时，多子的扩散运动与少子的漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区不再变化，这个空间电荷区，就称为PN结。

空间电荷区无载流子停留，故曰耗尽层，又叫阻挡层或势垒层。无外电场作用时，PN结内部虽有载流子运动，但无定向电流形成。

1.2.2 PN结的单向导电特性

一. PN结加正向电压

PN结加正向电压（正偏）时，外电场与内电场反方向，使空间电荷区变窄，多子的扩散运动远大于少子的漂移运动，由浓度大的多子扩散形成较大的正向电流，PN结处于导通状态。此时，其正向通态电阻很小，正向通态管压降也很小。

二. PN结加反向电压

PN结加反向电压（反偏）时，外电场与内电场同方向，使空间电荷区变宽，多子扩散运动大大减弱，而少子的漂移运动相对加强，由浓度很小的少子漂移形成很小的反向饱和电流IS,PN结处于截止状态。此时，反向电阻很大。

PN结正偏时导通，反偏时截止，故具有单向导电特性。电压U与电流I的关系式为..........

三. 反向击穿

当PN结所加反向电压达到UB时，其反向电流急剧增加，叫反向击穿，UB叫击穿电压。

PN结有雪崩击穿和齐纳击穿两种击穿状态。无论处于何种击穿时，反向电流只要不超过允许值，去掉反向电源后，仍能恢复单向导电性。

四. PN结的电容效应

1.势垒电容CT

   当PN结的反偏电压变化时，空间电荷区随之变宽（相当于充入电荷）或变窄（相当于放出电荷），故具有电容效应，叫势垒电容，用CT表示。

2.扩散电容CD

当PN结的正偏电压变化时，P区和N 区中多子的浓度和浓度梯度均随之变化，也具有一定的电容效应，叫扩散电容，用CD表示

3.PN结的结电容CJ

                 CJ=CT+CD

正偏时，CD起主要作用；反偏时，CT起主要作用。

 1.2.3半导体二极管

 一. 二极管的结构

给PN结加上两个引线（管脚）和管壳即成二极管，接P区的管脚称阳极，接N区的管脚称阴极。

二. 二极管的类型

1. 按结构区分， 

   点接触型：PN结面积小，工作电流小，PN结电容小，工作频率高。

    面接触型：PN结面积大，工作电流大，PN结电容大，工作频率低。

2. 按工作频率区分

有高频管和低频管。

3. 按功率区分

有大功率管和小功率管。

4. 按用途区分

有普通管、整流管、稳压管、开关管等等。

三. 二极管的特性

1. 正向特性，与PN结相同

2. 反向特性，与PN结相同

3. 击穿特性，与PN结相同

4. 温度特性， 温度升高时，二极管的正反向特性曲线均向纵轴靠近，如图1-13所示。

四. 主要参数

1. {zd0}整流电流IF，又叫额定电流。

2. {zd0}反向工作电压UR，又叫额定电压。

3. 反向饱和电流IS。

4. 反向电流IR，二极管未击穿时的电流值。

5. {zg}工作频率fM。

6. 直流电阻RD：RD=UD/IF，如图1-14所示。

7. 交流电阻rd：RD=ΔUD/ΔID=dud/did,如图1-15所示。

rd系指某一工作点的动态电阻。常温下，rd=UT/ID=26(mv)/IDQ   IDQ为直流工作点的电流，单位为mA

1.2.4 稳压二极管

 一. 结构

结构与普通二极管相似，只是掺杂浓度比普通二极管大得多，通常为硅材料稳压二极管。

二. 特性

正向特性曲线与普通二极管的正向特性曲线相似；反响未击穿的特性曲线与普通二极管的反向击穿时的特性曲线相似。但稳压二极管的反向击穿特性曲线很陡。

三. 参数

1.稳定电压UZ

2.稳定电流IZ

3.额定功率PZ

4.动态电阻rZ ，rZ=ΔUZ/ΔIZ ，rZ很小。

5.电压温度系数α。α=ΔUZ/Ut × {bfb}。UZ>7V时，α为正温度系数；UZ<5V时，α为负温度系数；5V<UZ<7V时，α受温度的影响很小，α≈0.

1.2.5 特种二极管

一. 发光二极管

将电能转换为光能的半导体器件。正偏时，有正向电流通过而发光，其正向通态管压降为1.8—2.2V.

二. 光电二极管

将光能转换为电能的半导体器件。反向偏置下，当光线强弱改变时，光电二极管的反向电流随之改变。

三. 光电耦合器

光电耦合器由光电二极管和发光二极管组合封装而成。发光二极管为输入端，光电二极管输出端。

四. 变容二极管

变容二极管的势垒电容随外加反向电压变化而变化。

小结

1. PN结具有单向导电特性，用PN结可以制造成多种多样的半导体器件。

2. 普通二极管、稳压二极管、特种二级管虽然都是由一个PN结构成的，但其内部结构并不xx相同，故其特性也不相同。

3. 二极管的特性和参数与温度的关系非常密切，使用时应特别注意。

4. 使用二极管时，不能超过其参数规定的额度。