半导体二极管.ppt
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1、半导体二极管,第 1 章,1.1 半导体二极管,(Semiconductor Diode),1.1.1 PN 结及其单向导电性,1.1.2 半导体二极管的构成与类型,1.1.3 半导体二极管的伏安特性,1.1.4 半导体二极管的使用常识,1.1.1 PN结及其单向导电性,一、基本概念,本征半导体 ,纯净的半导体。如硅、锗单晶体。,本征激发 ,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子,并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。,载流子 ,自由运动的带电粒子。,自由电子(带负电),空穴(带正电),电子空穴成对出现,数量少、与温度有关。,两种载流子,N型半导体 ,在本征半导体硅或锗
2、中掺入微量五价元素,如磷、砷(杂质)所构成。,电子为多数载流子 空穴为少数载流子 载流子数 电子数,P型半导体 ,在本征半导体硅或锗中掺入微量三价元素,如棚、铟(杂质)所构成。,空穴 多子 电子 少子 载流子数 空穴数,电中性,二、PN结的形成,1. 载流子的浓度差引起多子的扩散,2. 交界面形成空间电荷区(PN结),建立内电场,空间电荷区特点:,无载流子,,阻止扩散进行,,利于少子的漂移。,3. 扩散和漂移达到动态平衡,形成PN结。,扩散电流 等于漂移电流,,总电流 I = 0。,内建电场,载流子在电场作用下的定向运动,PN 结的形成,三、PN结的单向导电性,1. 外加正向电压(正向偏置)(
3、P+、N ),内电场,外电场,扩散运动加强形成正向电流 IF 。,IF = I多子 I少子 I多子,2. 外加反向电压(反向偏置) (P、N+),外电场使少子背离 PN 结移动, 空间电荷区变宽。,漂移运动加强形成反向电流 IR,IR = I少子 0,PN 结的单向导电性: 正偏呈低阻导通 正向电流IF较大; 反偏呈高阻截止, 反向电流为IR很小。,外电场使多子向 PN 结移动,中 和部分离子使空间电荷区变窄。,PN 结的单向导电性,四、PN结的结电容,势垒电容 CB:,PN中的电荷量随外加电压变化而改变所显示的效应(反偏时显著)。,扩散电容 CD:,多子在扩散过程中积累程度随外加电压变化而改
4、变所显示的效应(正偏时显著)。,影响工作频率的原因 ,PN 结的电容效应,结论: 1. 低频时,因结电容很小,对 PN 结影响很小。 高频时,因容抗增大,使结电容分流,导致单向 导电性变差。 2. 结面积小时结电容小,工作频率高。,1.1.2 半导体二极管的构成和类型,构成:,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode),符号:,阳(正)极 a,k 阴(负)极,分类:,按材料分,硅二极管 锗二极管,按用途分,普通二极管 整流二极管 稳压二极管 开关二极管,按结构工艺分,点接触型 面接触型 平面型,特点: PN结面积小 结电容小 适于高频、小电流 应用: 小功率整流 高频检波 开关电路
5、,特点: PN结面积大 结电容小 适于低频、大电流 (几百毫安以上) 应用:整流,常用二极管外形图,2CZ54,2CZ13,2CZ30,2AP,1N4001,+ ,+ ,微型二极管 (无引线或短引线的贴片元件,直接安装在印刷电路板表面),圆柱形微型二极管,SOT 23 矩形微型二极管,1.1.3 半导体二极管的伏安特性,一、PN 结的伏安特性方程,反向饱和电流,温度的 电压当量,电子电量 1.602 1023C,玻尔兹曼常数1.381023J/K,当 T = 300(27C):,UT = 26 mV,U = 0 时,,I = 0;,U 0 时,,U 0 时,,I IS;,二、二极管的伏安特性,
6、正向特性,Uon,导通电压 (门坎、阈值),ID = 0,Uon = 0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),u Uon,ID 急剧上升,0 u Uon,Uon = (0.6 0.8) V,硅管 0.7 V,(0.1 0.3) V,锗管 0.2 V,反向特性,IS,U (BR),反向击穿,U(BR) u 0,ID = IS, 0.1 A(硅),几十 A (锗),u U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),反向击穿类型:,电击穿,热击穿,反向击穿原因:,齐纳击穿: (Zener),反向电场太强,将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 6 V,负温度系数),雪崩击穿:,反向电场使电子加速,动能
7、增大,撞击 使自由电子数突增。, PN 结未损坏,断电即恢复。, PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V,正温度系数),击穿电压在 6 V 左右时,温度系数趋近零。,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,三、温度对二极管特性的影响,T 升高时,,Uon以 (2 2.5) mV/ C 下降 温度每升高10 C ,IS约增大1倍,一般, 硅管允许结温 150 200C 锗管允许结温 75 100C,1.1.4 半导体二极管的使用常识,一、二极管的型号,国标GB24974 规定:,第一部分,阿拉伯数字表示器件电极数,第二部分,字母 (汉拼)表示器件材料和极性,第三部分,字母 (汉拼)表示器件类型,第四部分,阿
8、拉伯数字表示器件 序号,第五部分,字母 (汉拼)表示 规格号,如硅整流二极管 2 C Z 52 A,二极管,N 型 硅,整流管,序号,规格号,表1.2.1 半导体器件型号组成部分的符号及其意义,二、二极管的主要参数,1. IFM 最大整流电流(最大正向平均电流),2. URM 最高反向工作电压,为 U(BR) / 2,3. IR 反向电流(随温度变化,越小单向导电性越好),4. fM 最高工作频率(主要取决于PN结结电容大小),表1.2.2 几种二极管的典型参数,三、二极管管脚极性及质量的判断,在 R 100或 R 1 k 档测量,红表笔是(表内电源)负极, 黑表笔是(表内电源)正极。,正反向
9、电阻各测量一次, 测量时手不要接触引脚。,(1) 用指针式万用表检测,*一般硅管正向电阻为几千欧,锗管正向电阻为几百欧;反向电阻电阻为几百千欧。 *正反向电阻相差小为劣质管。,正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。,(2) 用数字式万用表检测,红表笔是(表内电源)正极, 黑表笔是(表内电源)负极。,半导体三极管,(Semiconductor Transistor),1.2.1 BJT 的结构,1.2.2 BJT 的电流分配与放大原理,1.2.3 BJT 的特性曲线,1.2 双极型三极管,1.2.4 BJT 的使用常识,1.2.1 BJT的结构,一、结构、符号和分类,发射极 E,基极
10、B,集电极 C,发射结,集电结,基 区,发射区,集电区,emitter,base,collector,NPN 型,PNP 型,分类: 按材料分: 硅管、锗管 按结构分: NPN、 PNP 按使用频率分: 低频管、高频管 按功率分: 小功率管 1 W,BJT 外形和引脚,B,E,C,内部 条件,发射区掺杂浓度高 基区薄且掺杂浓度低 集电结面积大,外部 条件,发射结正偏: UC UB UE 集电结反偏: UC UB UE,BJT与电源连接方式,NPN,输入回路,输入回路,PNP,1.2.2 BJT 的电流分配和放大原理,一、BJT 处于放大状态的条件,2. 满足放大条件的三种电路,共发射极,共集电
11、极,共基极,二、 BJT的载流子的传输过程,1) 发射区向基区注入多子电子, 形成发射极电流 IE。,I CN,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。,IE,少数与空穴复合,形成 IBN 。,I BN,基区空 穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,IBN IB + ICBO,即:,IB = IBN ICBO,3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC,IC,I C = ICN + ICBO,(基区空穴运动因浓度低而忽略),2)电子到达基区后,BJT载流子运动过程,当管子制成后,发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定,故电流的比例关系确定,即
12、:,IB = I BN ICBO,IC = ICN + ICBO,三、BJT 的电流分配关系,IE = IC + IB,穿透电流,三、BJT 的放大作用,+ IB,+ IC,+ IE, 1,IE = IC + IB = (1+ ) IB,IC = IB,UCE,UCE = UR,= IC RC,电压放大倍数:,例 1.2.1 输入电压UI = 30 mV, 引起 IB = 30 A,设 = 40, RC = 1 k,求 IC、Au。,解:,IC = IB,= 40 30 A = 1.2 mA,UO = UCE,= IC RC,= 1.2 mA 1 k = 1.2 V,1.2.3 BJT 的特性
13、曲线,一、共发射极输入特性,输入 回路,输出 回路,与二极管特性相似,iB,iE,iC,特性基本重合(电流分配关系确定),特性右移(因集电结开始吸引电子),导通电压 uBE,硅管: (0.6 0.8) V,锗管: (0.2 0.3) V,取 0.7 V,取 0.2 V,二、共发射极输出特性,ICEO,水平部分为何略上翘? 由于uCE增大时,集电结空间电荷区变宽,基区变窄,使载流子在基区复合的机会减小,即电流放大系数增大,称基区宽度调制效应。,三、PNP型 BJT共发射极特性曲线,输入特性,输出特性,例 1.2.2(教材例 2.1.1 )已知放大电路中三个极的电位分别为:U1 = 4V, U2
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