第三讲半导体二极管和三极管课件.ppt

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1、第三讲,半导体器件,一、半导体和,PN,结,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,。它,具有共价键,结构。,价电子,硅原子,锗和硅的原子结构,硅单晶中的共价键结构,在半导,体中，同,时存在着,电子导电,和空穴导,电。空穴,和自由电,子都称为,载流子,。,它们成对,出现，成,对消失。,电,子,复合,空,电,穴,子,电,子,电,子,电,子,空穴,空,穴,本征,激发,电,子,电,子,电,子,电,子,自由电子,在常温下自由电子和空穴的形成,2.,N,型半导体和,P,型半导体,N,型半导体,在硅或锗中掺,入少量的五价元,素，如磷，则形,正离子,多余价电子,电,子,少

2、子,成,N,型半导体。,+,P,P,电,子,多子,结构图,原理图,磷原子,正离子,自由电子,在,N,型半导体中，电子是多子，空穴是少子,P,型半导体,在,P,型半导体中，空穴是多子，电子是少子。,在硅或锗中,掺入三价元素，,如硼,则形成,P,型半导体。,填补空位,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,负离子,少子,结构图,原理图,负离子,硼原子,-,多子,B,B,空,穴,空穴,3.PN,结,用专门的制造工艺,P,区,在同一块半导体单,晶上，形成,P,型半,导体区域和,N,型半,导体区域，在这两,个区域的交界处就,形成一个,PN,结,。,N,区的电子向,P,区扩散并与空穴复合,内电场方向,P,

3、区的空穴向,N,区扩散并与电子复合,空间电荷区,N,区,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到,动态平衡,。,P,区,少子漂移,空间电荷区,N,区,多子扩散,内电场方向,PN,结的单向导电性,外加正向电压,P,区,扩散运动增强，形成较大的正向电流。,空间电荷区变窄,N,区,I,P,区的空穴进入空间电荷区,抵消一部分负空间电荷。,内电场,外电场,N,区电子进入空间电荷,区抵消一部分正空间电荷。,E,外加反向电压,少子越过,PN,结形成,很小的反向电流,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,空间电荷区变宽,I,R,内电场,外电场,E,由上述分析可知：,PN,结具有,单向,导电性,切记,即,在

4、,PN,结上加正向电压时，,PN,结,电阻很低，正向电流较大。（,PN,结处,于,导通,状态）,加反向电压时，,PN,结电阻很高，反,向电流很小。（,PN,结处于,截止,状态）,二、二极管,1.,结构,引线,外壳,阳极引线,铝合金小球,PN,结,触丝,N,型锗片,N,型硅,阴极,金锑合金,D,阳极,表示符号,底座,阴极引线,点接触型,面接触型,半导体二极管,?,依据制作材料分类，二极管主要有,锗二极管,和,硅二极管,两大类。,?,依据用途分类，较常用的二极管有四类：,?,普通二极管,:,如,2AP,等系列，用于信号检测、取样、小电流整,流电路等。,?,整流二极管,:,如,2CZ,、,2DZ,等

5、系列，广泛使用在各种电源设备,中做不同功率的整流。,?,开关二极管,:,如,2AK,、,2CK,等系列，用于数字电路和控制电路。,?,稳压二极管,:,如,2CW,、,2DW,等系列，用在各种稳压电源和晶闸,管电路中。,晶体二极管的型号,第一部分,用数字表示器,件的电极数目,第二部分,用拼音字母表示器,件的材料和极性,第三部分,用汉语拼音字母表示器件的类型,第四部分,第五部分,符号,意义,符号,A,B,C,意义,N,型锗材料,P,型锗材料,N,型硅材料,符,号,P,Z,W,意义,普通管,整流管,稳压管,符号,C,U,N,意义,参量管,光电器件,阻尼管,用数字表,示器件的,序号,用汉语拼,音字母表

6、,示规格号,2,二极管,D,E,P,型硅材料,化合物,K,L,开关管,整流堆,V,S,半导体,特殊器件,2.,二极管的伏安特性,I/mA,60,注,意,:,正向,I/mA,40,死区电压：硅管约为：,0.5V,锗管约为：,0.1V,。,10,5,死区,导通时的正向压降：硅,-50,-25,电压,管约为,:0.6V-0.8V,锗管约,为,:0.2V-0.3V,O,。,0.2,0.4,U/V,15,20,-50,-25,死区,电压,O,0.4,-20,击穿电压,0.8,U/V,U,(BR),反向,-40,I/A,常温下，反向饱和电流,很小,.,当,PN,结温度升高时，,-40,反向电流明显增加。,

7、I/A,-20,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,?,1.,正向特性,?,（,1,）不导通区,OA,段,?,当二极管两端的电压为零时，电流也为零。当电压开始,升高时，电流很小且基本不变。这一段称作不导通区或死区。,与它相对应的电压叫死区电压（或门槛电压），一般硅二极,管约,0.5V,，锗二极管约,0.1V,。,?,（,2,）导通区,AB,段,?,通过二极管的电流随加在两端的电压微小的增大而急剧,增大，这一段称作导通区，一般硅二极管约为,0.60.8V,，锗,二极管约为,0.20.3V,。,?,2.,反向特性,（,1,）反向截止区,OC,段。反向电压开始增加时，反向电流略有增加，,随后在一定范围内

8、不随反向电压增加而增大，通常称为反向饱和,电流。,（,2,）反向击穿区,CD,段,当反向电压增大到超过某个值时（图中,C,点），反向电流急剧加大，这种现象叫反向击穿。,C,点对应的电,压叫反向击穿电压,U,BR,，其特点是：反向电流变化很大，相对应的,反向电压变化却很小。,?,硅二极管和锗二极管的伏安特性之间有一定的差异：,?,(1),锗二极管的死区较小，正向电阻也小，导通电压低,（约,0.2V,）。但受温度影响大，反向电流也较大。击穿,以后，锗管两端电压变化较大，无稳压特性。,?,(2),硅二极管的死区较大，正向电阻也较大，导通电压,较高（约,0.7V,）。但受温度影响小，反向电流也很小。,

9、击穿后，硅管两端电压基本不变，有稳压作用。,1,最大整流电流,I,FM,常称额定工作电流，它是指长期使用时，允许流过二极管的最大,平均电流。,2,反向击穿电压,U,BR,?,指二极管加反向电压时，当反向电流达到规定的数值时，二极管,所加反向电压就是反向击穿电压，它反映二极管反向击穿状态。,3,最高反向工作电压（峰值）,URM,?,常称额定工作电压，它是为了保证二极管不致反向击穿而规定的,最高反向电压。,特别注意,:,温度升高使正、反向电流增,加，管压降会降低，反向击穿电压也,会降低,半导体二极管的选择,?,选择二极管的一般原则是：,(1),若要求导通后正向压降小时，选锗管；若,要求反向电流小时

10、，选硅管。,(2),要求工作电流大时选面接触型；要求工作,频率高时选点接触型。,(3),要求反向击穿电压高时选硅管。,(4),要求耐高温时选硅管。,二极管应用举例,?,钳位,?,将电路中某点的电位值钳制在选,定的数值上，而不受负载变动影响的,电路叫钳位电路。,u,0,=U,G,+U,V,?,限幅,图,1.2.16,二极管限幅电路,特殊二极管,1.,稳压管,（,1,）稳压管及其伏安特性。稳压管是一种用特殊工艺制造的面接,触型硅二极管，它在电路中能起稳定电压的作用。,稳压管通常工作在反向击穿区。,（,2,）稳压管的主要参数,稳定电压,U,Z:,指稳压管在正常工作时管子两端的电压。,稳定电流,I,Z

11、:,指稳压管保持稳定电压,U,Z,时的工作电流值。,最大工作电流,I,ZM:,指稳压管允许流过的最大反向电流。,(a),符号,(b),伏安特性,2.,发光二极管,（,1,）结构和工作原理。,发光二极管简写为,LED,（,Light Emitting,Diode,）。当管子正向,导通时将会发光。,优点：,发光二极管具有,体积小、工作电压低、,工作电流（,1030mA,）、,发光均匀稳定、响应速,度快和寿命长等优点。,(a),图形符号,(b),特性曲线,3,、光电二极管,（,1,）结构与工作原理,:,光电二极管又叫光敏二极管，,它是一种将光信号转化为电信号的器件。,光电二极管工作在反偏状态下，当无

12、光照时，与普,通二极管一样，反向电流很小，称为暗电流。当有,光照时，其反向电流随光照强度的增加而增加，称,为光电流。,(a),图形符号,(b),特性曲线,半导体三极管,半导体三极管,BJT,：,(,双极型三极管，晶体三极管）,Bipolar Junction Transistor,三极管是具有电流放大作用,的半导体器件，,1947,年在美国,的贝尔实验室诞生，开创了微,电子技术的新时代。,NPN,型,发射区,发射结,(Je),集电结,(Jc),集电区,集电极,，,用,C,或,c,表示,（,Collector,）,基区,发射极,，,用,E,或,e,表示,（,Emitter,）,基极,，,用,B,

13、或,b,表示,（,Base,）,NPN,型和,PNP,型,两种类型的三极管,符号：箭头表示发射结（,Je,）正偏时发,射极电流的实际方向，PN,NPN,型,集电极,C,基极,b,PNP,型,C,N,集电区,P,基,区,N,发射区,发射极,e,集电结,b,发射结,P,集电区,N,基,区,P,发射区,e,由两个背靠背的,PN,结组成的三层杂质半导体。,结构特点：,?,基区很薄，一般在几个微米至,几十个微米，且掺杂浓度最低。,?,发射区是重掺杂，其浓度最高；,?,集电区面积比发射区大，两区,面积不对称，所以不可互换。,管芯结构剖面图,晶体管的电流放大原理,晶体管具有电流放大作用的外,R,C,I,B,

14、B,U,BE,C,I,C,U,CE,部条件：,发射结正向偏置,集电结反向偏置,E,C,E,I,E,R,B,输,入,E,B,电,路,输,出,电,路,NPN,管：,U,BE,0,U,BC,0,即：,V,C,V,B,V,E,PNP,管：,U,BE,0,U,BC,0,即：,V,C,V,B,V,E,公共端,共射极放大电路,三极管的电流控制原理,电,子,电,子,电,子,I,C,电子流向电源正,极形成,I,C,集电区收集电子,电子在基区的,扩散与复合,发射区向基,区扩散电子,E,B,正极拉走电子，,N,补充被复合的空,穴，形成,I,B,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,I,B,电,子,

15、电,子,P,空,穴,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,R,C,R,B,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,电,子,E,B,N,电,子,电,子,电,子,E,C,电,子,电,子,电,子,电,子,I,E,电源负极向发射,区补充电子形成,发射极电流,I,E,特性曲线和主要参数,输入特性曲线,I,B,=,f,(,U,BE,),U,C E,=,常数,U,CE,1V,场效应管,场效应管是继三极管之后发展起来的另一类具有,放大作用的半导体器件。场效应管也具有,PN,结，但工,作机理与三极管完全不同，它是利用电场效应控制电,流大小。场效应管是一种电压控制型器件，同时它只

16、,有一种载流子参与导电，所以又称其为单极型器件。,其特点是输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射,能力强、制造工艺简单。,S,源极,G,栅极,D,漏极,SiO,2,D,N,+,P,型硅衬底,B,N,+,G,B,结构图,S,电路符号,漏极（,D,）,三个电极,源极,（,S,）,D,G,S,栅极（,G,）,P,+,P,+,栅极,（,G,）,漏极,（,D,）,N,沟道,源极（,S,）,N,沟道结型管,导电沟道连通,源极,S,和漏极,D,箭头方向指,向管内,N,沟道,工作原理,U,DS,I,D,=0,S,SiO,2,G,D,栅源电压对导电沟,道的控制作用,(1)U,GS,=0,D,与,S,之间是两个,

17、PN,结,反向串联，无论,D,与,S,之间加什么极性的电,压，漏极电流均接近,于零。,N,+,N,+,P,型硅衬底,衬底引线,B,结构示意图,(2)0 U,GS,U,GS(th),U,GS,U,DS,由栅极指向衬底方,向的电场使空穴向下,SiO,2,I,D,=0,G,D,S,移动,电子向上移动。,在,P,型衬底表面形,成耗尽层。,N,+,N,+,P,型硅衬底,B,结构示意图,U,DS,(3)U,GS,U,GS(th),U,GS,I,D,G,D,N,型导电沟道,栅极下,P,型半导体表,面形成,N,型导电沟道。,当,D,、,S,加上正向电压,后可产生漏极电流,I,D,。,SiO,2,S,N,+,耗

18、尽层,P,型硅衬底,B,N,+,由上述讨论可知,:,U,GS,愈大，导电沟道愈厚,在,U,DS,电压作用下,电流,I,D,愈,大。即通过改变电压,U,GS,的大小可以改变漏极电流,I,D,的大小。,随着栅极电压,U,GS,的增加，导电沟道不断增加的场效应,管称为增强型场效应管。,场效应管只有一种载流子参与导电,故称为单极性晶体,管。普通晶体管（三极管）中空穴和电子两种载流子参与,导电称之为双极性晶体管。,1,U,GS,的作用,漏极,D,当,U,GS,PN,结变宽,导电沟道变窄,沟道电阻,增大,I,D,注意：,V,GG,R,D,栅极,G,P,+,P,+,R,G,源极,S,N,沟道,V,DD,与三

19、极管不同，场效应,管通过栅源电压,U,GS,变化，,控制沟道电流,I,D,，称为,电压控制型器件。,D,D,N,G,G,N,P,+,P,+,N,P,+,P,+,N,-,+,u,G,S,-,S,+,u,G,S,S,U,GS,PN,结变宽,导,电沟道变窄,I,D,当,U,GS,=U,GS,（,off,）,PN,结,将沟道夹断,I,D,=0,-,U,GS,（,OFF,）,：夹断电压，,N,沟道,JFET U,GS,（,off,）,0,2,U,DS,的作用,-,预夹断：,u,GD,=U,GS(off),，,I,D,=I,DSS,（饱和漏电流）,预夹断轨迹：,u,DS,=,u,GS,-U,GS(off),i,D,不受,u,DS,的控制，只受,u,GS,控制。,预夹断以后，,u,DS,超出,U,GS(off),的部分加在夹断区上，,练,习,怎样利用二极管进行全波整流,