半导体二极管和三极管 (14).ppt
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1、第8章 半导体二极管和三极管,教学内容:,8.1 半导体的导电特性8.2 PN结 2学时 8.3 半导体二极管 2学时 8.4 半导体三极管 2学时,1、理解PN结的单向导电性,三极管的电流分配和电流放大作用;2、了解二极管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线,理解主要参数的意义;3、会分析含有二极管的电路。,教学目的:,教学重点,1、PN结的形成及其单向导电性;2、二极管的工作原理和特性曲线,含有二极管的电路分析计算;3、三极管的电流分配和电流放大作用;4、三极管的特性曲线的含义。,教学难点,1、PN结的形成及其单向导电性;2、含有二极管的电路分析计算;3、三极管的特性曲线的含义。,学会用
2、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。器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,对于元器件,重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法,不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,8.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性:,(可做成温度敏感元件,如热敏电阻)。,掺杂性: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、三极管和晶闸管等)。
3、,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、光敏三极管等)。,热敏性:当环境温度升高时,导电能力显著增强,8.1.1 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体,称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,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。,空穴,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
4、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)。,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,半导体中载流子便维持一定的数目。,8.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加,自
5、由电子导电成为这种半导体的主要导电方式,称为电子半导体或N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。,动画,8.1.2 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,动画,无论N型或P型半导体都是中性的,对外不显电性。,1.在杂质半导体中多子的
6、数量与(a.掺杂浓度、b.温度)有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与(a.掺杂浓度、b.温度)有关。,3.当温度升高时,少子的数量(a.减少、b.不变、c.增多)。,a,b,c,4.在外加电压的作用下,P 型半导体中的电流主要是,N 型半导体中的电流主要是。(a.电子电流、b.空穴电流),b,a,8.2 PN结,8.2.1 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,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。,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。,动画,形成
7、空间电荷区,8.2.2 PN结的单向导电性,1.PN 结加正向电压(正向偏置),PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱,多子的扩散加强,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。,动画,2.PN 结加反向电压(反向偏置),P接负、N接正,动画,PN 结变宽,2.PN 结加反向电压(反向偏置),内电场被强,少子的漂移加强,由于少子数量很少,形成很小的反向电流这个电流也称为反向饱和电流IS。,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加。,动画,PN 结加反向电压时,PN结变宽,反向电流较小,反向电阻较大
8、,PN结处于截止状态。,(1)热击穿:不可逆,应避免。(2)电击穿:可逆。又分为雪崩击穿和齐纳击穿。无论发生哪种击穿,若对其电流不加以限制,都可能造成PN结的永久性损坏。,8.2.3 PN结的反向击穿特性,8.3 半导体二极管,8.3.1 基本结构,(a)点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大,用于工频大电流整流电路。,(c)平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小,用于大功率整流和开关电路中。,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,8.3 半导体二极管,二极管的结构示意图,8.3.2 伏安特性,硅管0
9、.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才能导通。,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,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,1.二极管的伏安特性,伏安特性是指二极管两端的电压u与流过二极管电流i的关系。,反向饱和电流,(1)正向特性 当外加正向电压小于死区电压Uth 时,正向电流i0。Uth 又称开启电压或门坎电压,硅管约为0.5V,锗管约为0.1V。当正向电压继续增大至二极管完全导通后,两端电压基本为定值,称为二极管的正向导通压降。硅管约为0.60.8
10、V(通常取0.7V),锗管约为0.20.3V(通常取0.2V)。,(2)反向特性 外加反向电压时,反向电流很小(IIS),而且在相当宽的反向电压范围内,反向电流几乎不变,因此,称此电流值为二极管的反向饱和电流。在室温下,硅管的反向饱和电流比锗管的小得多,小功率硅管的IS小于0.1A,锗管为几十微安。当反向电压达到U(BR)时,反向电流急剧增大,二极管击穿。U(BR)称为反向击穿电压,二极管一旦击穿,便失去单向导电性,使用时要注意。,2.温度特性 温度对二极管伏安特性的影响很大,如图1.2.3中虚线部分为温度升高时的特性。特点概括如下:(1)当温度升高时,二极管的正向特性曲线向左移动二极管的导通
11、压降降低。(2)当温度升高时,二极管的反向特性曲线向下移动反向饱和电流IS增大。(3)当温度升高时,反向击穿电压U(BR)减小。,8.3.2 伏安特性,根据半导体的物理原理,可从理论上分析得到PN结的伏安特性的表达式,此式通常称为二极管方程,即:,IS为反向饱和电流,UT为温度的电压当量,在常温(300K)下,UT26mV。,当U0时,且UUT,则电流I与U基本成指数关系。,当UUT,则电流I-IS,2.二极管的单向导电性,(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(反向偏置,阳极接负、阴极接
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