电工学半导体器件.ppt
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1、电工电子技术,学会用工程观点分析问题,就是根据实际情况, 对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近 似,以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。,对于元器件,学习重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法,不过于追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,对电路进行分析计算时,只要能满足技术指标, 就不要过分追究精确的数值。工程上允许一定的误差,可采用合理估算的方法。,第14章 半导体器件,14.3 二极管,14.4 稳压二极管,14.5 双极型晶体管,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,14.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性:,掺杂性:
2、往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电能 力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件,如二极管、晶体管和晶闸管等)。,光敏性:当受到光照时, 导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极 管、光敏晶体管等)。,热敏性:当环境温度升高时,导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件,如热敏电阻)。,14.1.1 本征半导体,完全纯净的、晶格完整的半导体,称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价键结构,共价健,共价键中的两个电子,称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后, 即可挣脱原子核的束缚,成为自由电子(带负电), 同时共价键中留下一个空位,称为
3、空穴(带正电)。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,温度愈高,晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下, 空穴吸引相邻原子的价电子来填补,而在该原子中出现一个空穴,其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。,空穴,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时,在半导体中将出现两部分电流: (1) 自由电子作定向运动 电子电流 (2) 价电子递补空穴 空穴电流,注意: (1) 本征半导体中的载流子数目极少,其导电性能很差; (2) 温度愈高,载流子的数目愈多, 半导体的导电性 能也就愈好。所以,温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。 自由电
4、子和空穴成对地产生的同时, 又不断复合。在一定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,半导体中的载流子便维持一定的数目。,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质 (某种元素) , 形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。,掺杂后自由电子数目大量增加,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式,称为N 型半导体。,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加,空穴导电成为这种半导体的主要导电方式,称为空穴半导体或 P 型半导体。,掺
5、入三价元素,在P 型半导体中空穴是多数载流子, 自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的,对外不显电性。,14.2 PN结及其单向导电性,14.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,空间电荷区也称 PN 结。,扩散和漂移这 一对相反的运动 最终达到动态平 衡,空间电荷区 的厚度固定不变。,形成空间电荷区,内电场越强,漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,14.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压 (正向偏置),P接正、N接负,内电场被削弱,多子
6、的扩散加强,形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时,PN结变窄,正向电流较大,正向电阻较小,PN结处于导通状态。,PN 结变窄,IF,2. PN 结加反向电压 (反向偏置),P接负、N接正,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压 (反向偏置),内电场被加强,少子的漂移加强,由于少子数量很少,形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多,反向电流将随温度增大。,PN 结加反向电压时,PN结变宽,反向电流较小,反向电阻较大,PN结处于截止状态。,14.3 二极管,14.3.1 基本结构,(a) 点接触型,结面积小、结电容小、 正向电流小,适用于高频和 小功率工作,也用作数
7、字电 路中的开关元件。,结面积大、结电容大、正向电流大,适用于低频整流电路。,(b) 面接触型,14.3 二极管,(c) 平面型,14.3.1 基本结构,用于集成电路制作工艺中。 PN 结结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。,(d) 符号,14.3.2 伏安特性,硅管0.5V锗管0.1V,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压,二极管导通。,外加电压大于反向击穿电压,二极管被击穿,失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点:非线性,死区电压,反向电流在 一定电压范围 内保持常数。,二极管正向导通电路,二极管反向截止电路,14.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM
8、,二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。,3. 反向峰值电流IRM,指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流大,说明管子的单向导电性差,IRM受温度的影响,温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,锗管的反向电流较大,为硅管的几十到几百倍。,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压(正向偏置,阳极接正、阴极接负)时,二极管处于正向导通状态,二极管正向电阻较小,正向电流较大。,2. 二极管加反向电压(反
9、向偏置,阳极接负、阴极接正 )时, 二极管处于反向截止状态,二极管反向电阻较大,反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿,失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响,温度愈高反向电流愈大。,分析方法:将二极管断开。,若 V阳 V阴,则二极管导通; 若 V阳 V阴,则二极管截止。,实际二极管应考虑其正向压降 (硅管0.60.7V, 锗管0.20.3V)。 理想二极管正向压降为零,反向截止。,二极管的应用广泛。根据二极管的单向导电性,它可用于整流、检波、限幅、元件保护及在数字电路中作为开关元件等。,使用注意,二极管的应用,uI 8V,二极管导通,可看作短路, uO =
10、8V uI 8V,二极管截止,可看作开路, uO = ui,例1:已知: , 二极管是理想的,试画出 uO 波形。,8V,解:二极管阴极电位为 8 V。,参考点,二极管的应用举例,1. 二极管的限幅作用,该电路为正限幅电路,2. 二极管的检波作用,解:,解:二极管起检波作用,除去正尖脉冲。,+,-,VA VB, DA优先导通, 使VY= 3V。,VB VY ,DB截止, 将VB与VY隔离。,3. 二极管的箝位和隔离作用,例3:图示电路中,输入端VA=+3V, VB= 0V,试求输出端 Y 的电位 VY 。,DA 起箝位作用。,DB 起隔离作用。,14.4 稳压二极管,1. 符号和外形图,UZ,
11、IZ,IZM,UZ,IZ,2. 伏安特性,使用时要加限流电阻,O,稳定电压UZ,最大电流,工作电流,稳压二极管正常工作时加反向电压。,稳压二极管反向击穿后,电流变化很大,但其两端电压变化很小,利用此特性,稳压管在电路中可起稳压作用。,稳压二极管,稳压二极管稳压电路,解 (1) Ui10 V 时 DZ 反向击穿稳压:UO = UZ = 5 V 。 (2) Ui = 3 V 时 DZ 反向截止:UO= Ui = 3 V 。 (3) Ui =5 V 时 DZ 正向导通:UO= 0 V 。 (4) ui = 10sin t V 时 当 0ui5 V 时,DZ 反向截止: UO= Ui = 10sin
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