电工电子学半导体二极管课件.ppt

1、电子技术课程：电子技术课程：模拟电子技术：模拟电子技术：数字电子技术：数字电子技术：以放大电路分析为主，重在分析电路以放大电路分析为主，重在分析电路的外部特性，例如放大倍数，输入输的外部特性，例如放大倍数，输入输出阻抗等出阻抗等以门电路和触发器为基本，重在分以门电路和触发器为基本，重在分析组合逻辑电路和时序逻辑电路的析组合逻辑电路和时序逻辑电路的功能功能学习方法：抓住电路的宏观特征学习方法：抓住电路的宏观特征半导体具有不同于其它物质的特点。例如：半导体具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光作用时，导电能力明显当受外界热和光作用时，导电能力明显变化。变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质

2、，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。能力明显改变。9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性依照导电性能，可以把材料分为依照导电性能，可以把材料分为导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。导体有良好的导电能力，常见的有铜、铝等金属材料；导体有良好的导电能力，常见的有铜、铝等金属材料； 绝缘体基本上不能导电，常见的有玻璃、陶瓷等材料；绝缘体基本上不能导电，常见的有玻璃、陶瓷等材料； 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，常见的有硅半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，常见的有硅(Si)、锗、锗(Ge)、砷化镓、砷化镓(GaAs)等材料。等材料。9.1.1 本征半导体本征半导体一、

3、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点Si用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。（价电子）都是四个。本征半导体：完全纯净本征半导体：完全纯净的、晶体结构的半导体。的、晶体结构的半导体。共价键：共共价键：共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。构成稳定结构。束缚电子束缚电子在热力学温度零度和没有外界激发时在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导本征半导体不导电。体不导电。+4+4+

4、4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴复合复合在常温下自由电子和空穴的形成在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对出现成对消失成对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴导电的空穴导电的实质是共价实质是共价键中的束缚键中的束缚电子依次填电子依次填补空穴形成补空穴形成电流。电流。空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 价电子填补空穴价电子填补空穴自由电子能导电自由电子能导电空穴能导电空穴能导电半导体中半导体中两种载流子两种载流子:自由电子和空穴自由电子和空穴本征半导体的导电能力本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。取决于载流子的浓度。9.1.2 N半导体和半导体和P

5、型半导体型半导体在本征半导体中掺入某些在本征半导体中掺入某些微量的杂质微量的杂质，就会，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体。空穴浓度大大增加的杂质半导体。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体。自由电子浓度大大增加的杂质半导体。+4+4+4+4+4+4+4+41 . N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中掺入少量五价元素掺入少量五价元素磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子自由电子自由电子

6、正离子正离子N 型半导体中的载流子型半导体中的载流子: :1 1、自由电子。、自由电子。2 2、空穴。、空穴。多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子 N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子在在N型半导中型半导中,电子是多数载流子电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴2. P型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元掺入少量的三价元 素素, 形成形成P 型半导体型半导体 +4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子P 型半导体中的载流子是型半导体中的载流子

7、是: :1 1、自由电子。、自由电子。2 2、空穴。、空穴。多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子 P 型半导体结构示意图型半导体结构示意图电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载流子P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结结9.1.3 PN9.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性内电场阻止扩散内电场阻止扩散，有利于漂移，有利于漂移1. PN 结正向偏置结正向偏置_PN 结加正向电压、正向偏置结加正向电压、正向偏置： P 区加正、区加正、N 区加负电压区加负电压内电场方向内电场方向E

8、RIP 区区N 区区空间电荷区变窄空间电荷区变窄 内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR2. 2. 外加反向电压外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过少数载流子越过PN结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行伏安特性伏安特性PN结的单向结的单向导电性！导电性！一、基

9、本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管符号：二极管符号：9.2 半导体二极管半导体二极管600400200 0.1 0.200.4 0.850100I / mAU / V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性反向特性反向特性死区电压死区电压I / mAU / V0.40.8 40 802460.10.2锗管的伏安特性锗管的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性0 二、伏安特性二、伏安特性导通压降导通压降: : 硅

10、硅管管0.60.7V导通压降导通压降: :锗管锗管0.20.3V3. 反向峰值电流反向峰值电流 IRM1. 最大整流电流最大整流电流 IOM：最大正向平均电流：最大正向平均电流2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0 ，正向压降，正向压降=0RLuiuouiuott例例1：二极管半波整流：二极管半波整流D3VRuiuouRuD 例例2：下图是：下图是二极管二极管限幅电路，限幅电路，D为理想二极管，为理想二极管， ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出试画出 uo波形波形 。 t t ui / V Vuo /V63300 2 2 6例

11、例3：下图中，已知：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为为锗管锗管(导通压降导通压降0.3V )，求输出端，求输出端Y的电位的电位, 并说明并说明二二极管的极管的作用。作用。 解：解： DA优先导通，则优先导通，则VY=30.3=2.7VDA导通后导通后, DB因反偏而截止因反偏而截止,起隔离作用起隔离作用, DA起钳位作用起钳位作用,将将Y端的电位钳制在端的电位钳制在+2.7V。 DA 12VYABDBR 9.3 稳压二极管稳压二极管+-稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）动态电阻）动态电阻ZZIUZrUIIZm UZ IZ曲线越陡，动曲线越

12、陡，动态电阻愈小，态电阻愈小，电压越稳定。电压越稳定。UZ（3）. 最大稳定电流最大稳定电流 IZmax 稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。30V2kUODZ1DZ2+-+-例：设 DZ1 的 稳 定 电 压 为 6 V，DZ2 的 稳 定 电 压 为 12 V， 设 稳 压 管 的 正 向 压 降 为 0.7 V，则 输 出 电 压UO 等 于 （ ）。(a) 18V (b) 6.7V (c) 30V (d) 12.7V二极管的单向导电性：二极管的单向导电性：PN结正向偏置，近似短路，有结正向偏置，近似短路，有0.20.6

13、的压降的压降PN结反向偏置，处于高阻状态，类似断路结反向偏置，处于高阻状态，类似断路稳压管的反向稳压性：稳压管的反向稳压性：小结：小结：作业：作业：P264-2669.2.4(a)(b)、9.2.6、9.3.3、N型硅型硅BECN+P型硅型硅基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高1. NPN 型三极管型三极管集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区NN集电极集电极C基极基极B发射极发射极EPECB符号符号 三极管的结构三极管的结构 分类和符号分类和符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区

14、发射区CBEN集电极集电极C发射极发射极E基极基极BNPPN2. PNP型三极管型三极管CEB三极管具有电流控制作用的三极管具有电流控制作用的外部条件外部条件 :（1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置。对于对于NPN型三极管应满足型三极管应满足: UBE 0UBC VB VE对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足: UEB 0UCB 0即即 VC VB IC，称称为饱和区。为饱和区。UCE=0IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,UBE 死区电死区电压，称为截止区

15、。压，称为截止区。发射结反偏发射结反偏UCE=VCC小结：三极管的三种工作状态小结：三极管的三种工作状态集电结，发射结集电结，发射结均正偏均正偏，三极管处于，三极管处于饱和饱和状态状态集电结，发射结集电结，发射结均反偏均反偏，三极管处于，三极管处于截止截止状态状态集电结正偏集电结正偏，发射结反偏发射结反偏，三极管处于，三极管处于放大放大状态状态9.4.4、主要参数、主要参数三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。射接法，相应地还有共基、共集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：BCII_基极电流的变化量为基极电

16、流的变化量为 IB，相应的集电极电流相应的集电极电流变化为变化为 IC，则则交流电流放大倍数交流电流放大倍数为：为：BIIC1. 电流放大倍数电流放大倍数和和 _2. 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流过三极管， 所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为：PC =ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCM安全工作区安全工作区ICM集电极最大电流集电极最大电流U(BR)CEO集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压3.集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AIC

17、BOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响大。电流，受温度的变化影响大。4. 集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，受温度影响很大，三极三极管的温度特性较差管的温度特性较差。 场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子，使流过场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子，使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变化的电压控制电半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变化的电压控制电流的放大器件。其英文名称为：流的放大器件。其英文名称为：Metal Oxide Metal Oxide Semicond

18、uctor Filed Effect TransistorSemiconductor Filed Effect Transistor，缩写为，缩写为MOSFET MOSFET 场效应管是的外型与晶体管（三极管）相似，但它除了具有场效应管是的外型与晶体管（三极管）相似，但它除了具有三极管的一切优点以外，还具有如下特点：三极管的一切优点以外，还具有如下特点： 基本上不需要信号源提供电流基本上不需要信号源提供电流 输入阻抗很高（可达输入阻抗很高（可达10910151091015） 受温度和辐射等外界因素影响小，制造工艺简单、便于集成化等；受温度和辐射等外界因素影响小，制造工艺简单、便于集成化等；只有多数载流子参与导电，所以又称其为单极性晶体管只有多数载流子参与导电，所以又称其为单极性晶体管绝缘栅型场效应晶体管习题习题9.4.10