第5章半导体器件.ppt
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1、教材:电路与电子简明教程,主讲教师:张军颖,电子技术,5.1 半导体的基本知识,5.2 半导体二极管,5.3 稳压管二极管,5.4 半导体三极管,第5章 半导体器件,5.1 半导体的基本知识,半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。,常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。,半导体材料的特性:,纯净半导体的导电能力很差; 热敏特性:温度升高-导电能力增强(如钴、锰、镍的氧化物做成的热敏电阻); 光敏特性:光照增强-导电能力增强(如镉、铅等硫化物做成的光敏电阻); 掺入少量杂质-导电能力增强(可做成半导体二极管、半导体三极管) 。,5.1.1
2、本征半导体,1.本征半导体:完全纯净、具有晶体结构的半导体。,最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素,每个原子最外层电子数为4。,Si,Ge,共价键,5.1.1 本征半导体,本征半导体中,每个原子与相邻的四个原子结合。,共价键:每个原子的一个外层价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对,这电子对叫共价键。,2.共价键结构,这对价电子是由相邻两原子共有,把相邻原子结合在一起,构成共价键结构。,共价键价电子,共价键,价电子,自由电子和空穴同时产生,5.1.1 本征半导体,获取能量,自由电子,升温和光照,外加电压,电子电流,离开,剩空穴,原子带正电,吸引相邻原子价电子填补
3、空穴,好像空穴在运动(正电荷),外加电压,空穴电流,与金属导电的区别,硅原子,自由电子,3.自由电子和空穴的形成,硅原子,载流子:自由电子和空穴都称为载流子。,共价键,价电子,5.1.1 本征半导体,半导体中的自由电子和空穴总是成对出现,同时又不断进行复合。在一定温度下,载流子的产生与复合会达到动态平衡, 载流子便维持一定数目。,半导体两端加外电压时,半导体中出现两部分电流: 一是自由电子作定向运动所形成的电子电流; 一是被原子核束缚价电子填补空穴所形成的空穴电流。,温度愈高,载流子数目就愈多,导电性能就愈好温度对半导体器件性能影响很大。,5.1.2 N型半导体和P型半导体,在常温下,本征半导
4、体的两种载流子数量还是极少的,其导电能力相当低。,如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素,将得到掺杂半导体,而掺杂半导体的导电能力将大大提高。,由于掺入杂质元素的不同,掺杂半导体可分为两大类N型半导体和P型半导体。,1.N型半导体,在本征半导体中掺入微量磷(或五价元素),不改变原子的晶体结构,只是某些位置的硅原子被磷原子取代,磷原子与周围四个硅原子形成共价键后,磷原子的外层电子数将是9,比稳定结构多一个价电子。,1.N型半导体,P,掺入磷杂质的半导体中,自由电子数目大量增加。自由电子导电是主要的导电方式,称为电子半导体或N型半导体,其中自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。自由电子数比本征半导体
5、中自由电子数多,空穴数比本征半导体中空穴数少。,2.P型半导体,在本征半导体中掺入微量硼(三价元素)。,B,掺入硼杂质的半导体中,空穴的数目远大于自由电子的数目。空穴为多数载流子,自由电子是少数载流子,空穴导电是主要导电方式,称为空穴型半导体或P型半导体。,不论是N型半导体还是P型半导体,都只有一种载流子占多数,然而整个半导体晶体仍是电中性的。,?,5.1.3 PN结及其单向导电性,P,N,根据浓度梯度,多数载流子将进行扩散运动。,耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区;这空间电荷区就是PN结(内电场)也称耗尽层。,一块晶片的两边分别为P型半导体和N型半导体。,内电场阻碍了多子的
6、继续扩散,推动少数载流子的漂移运动,最终达到动态平衡,空间电荷区即PN结宽度一定。,P区:空穴多 自由电子少,N区:空穴少自由电子多,内电场,PN结内电场的方向由N区指向P区。,1.PN结的形成,载流子的运动有两种形式:,扩散运动:由于载流子浓度梯度引起的多数载流子从高浓度区向低浓度区的运动。,漂移运动:少数载流子受内电场作用沿电场力方向的运动。,耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态平衡,这样的耗尽层就是PN结。,5.1.3 PN结及其单向导电性,5.1.3 PN结及其单向导电性,P,N,2. PN结的单向导电性 1).加正向电压,将电源的 “+”接P区、“-” 接N区。,运动的动态
7、平衡被破坏。,外电场作用,P区空穴进入PN,N区电子进入PN,PN结内正负离子被抵消,PN结变窄,内电场弱,扩散增强,漂移变弱,多子运动形成较大正向电流,外电源不断提供电荷维持电流。,外电场愈强,正向电流愈大,这时PN结电阻很低。,I,2. PN结的单向导电性,2).加反向电压,将外电源的正端接N区、负端接P区。,P,N,运动的动态平衡被破坏。,外电场作用,变宽,PN结变宽,内电场增强,扩散难进行,漂移增强,I0,PN结电阻很高,I0,PN结具有单向导电性,即正向导通、反向截止。,5.2 半导体二极管,在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来,便构成一只半导体二极管,简称二极管。,5.2
8、.1 基本结构,二极管是由PN结构成的,它也具有单向导电性。某种硅二极管伏安特性如图示:,1.正向特性,正向:由死区电压分为死区和导通区。 (死区电压Si-0.5V,Ge-0.1V),0-0.5V:电压低外电场0.5V:电压高外电场内电场内电场大大削弱正向电流大导通。 导通压降: Si 0.60.7V,Ge 0.20.3V,5.2.2 二极管的伏安特性,死区,导通区,击穿区,截止区:反向电压小漂移强(少子)反向电流很小反向饱和电流,2.反向特性:由击穿电压分为截止区和击穿区。,击穿区:反向电压增大到一定值时反向电流将突然增大二极管失去单向导电性击穿不可逆。,击穿电压,截止区,5.2.2 二极管
9、的伏安特性,二极管的特性不仅用伏安曲线表示,也可用一些数据进行说明,这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有:,1.最大整流电流IOM :二极管长时间使用所允许通过的最大正向平均电流。当电流IOM 时,PN结过热而使管子损坏。,2.反向工作峰值电压URWM:指二极管使用时允许加的最大反向电压。一般为反向击穿电压的1/2至2/3。,3.反向峰值电流IRM : 二极管加反向峰值电压时的反向电流值。受温度影响很大。,5.2.3 二极管的主要参数,4.最高工作频率fM:二极管所能承受的外施电压的最高频率。,总之,温度对二极管特性有较大的影响,随着温度的升高,反向电流增大,正向压降减小。,5.2.4
10、 二极管的应用,应用:整流、检波、限幅、元件保护、开关元件。,电路分析:二极管理想时,正向导通时压降为零,非理想时,导通压降: Si 0.60.7V,Ge 0.20.3V ;反向截止时二极管为断开。,因为VB VA, D2优先导通,D2导通后,D1上加的是反向电压,因而截止。,例1:如图, 求输出端Y的电位VY。,解:,则:VY=3V。,D2起钳位作用,把VY钳制在3V;D1起隔离作用,隔离输入A和输出Y。,分析方法:将二极管断开,分析二极管两端电位的高低。若V阳V阴,二极管导通;若V阳V阴,二极管截止。,例2:在如图所示的电路中,己知输入电压ui=10sintV,电源电动势E=5V,二极管为
11、理想元件,试画出输出电压uo的波形。,解:当ui5V时,二极管D截止,故输出电压与输入电压相等,即uo= ui。,当ui 5V时,二极管D导通,则uo=E=5V。输出电压被限制在5V以内,二极管起限幅作用。波形如图所示。,1.如图,二极管D1.D2为理想元件,判断D1.D2 的工作状态为( )。 (a). D1导通, D2截止 (b). D1 导通, D2导通 (c). D1截止, D2导通 (d). D1截止, D2截止,a,2.半导体二极管的主要特点是具有( )。 (a)电流放大作用 (b)单向导电性 (c)电压放大作用,b,5.3 稳压管,稳压管:是一种特殊的面接触型硅二极管。在电路中与
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