第三讲半导体二极管和三极管课件.ppt

1、第三讲第三讲 半导体器件半导体器件一、半导体和PN结1.1.本征半导体本征半导体完全纯净的,具有晶体结构的半导体称为本征本征半导体半导体。它具有共价键结构。价电子价电子硅原子硅原子锗和硅的原子结构锗和硅的原子结构硅单晶中的共价键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空穴本征本征激发激发电子电子电子电子自由电子自由电子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2.2.N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体在硅或锗中掺在硅或锗中掺入

2、少量的五价元入少量的五价元素，如磷，则形素，如磷，则形正离子正离子多余价电子多余价电子电子少子少子成成N型半导体。型半导体。+P P电子多子多子结构图结构图原理图磷原子磷原子正离子正离子自由电子自由电子在在N N型半导体中，电子是多子，空穴是少子型半导体中，电子是多子，空穴是少子P P型半导体型半导体在在P P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。型半导体中，空穴是多子，电子是少子。在硅或锗中在硅或锗中掺入三价元素，掺入三价元素，如硼如硼,则形成则形成P P型半导体。型半导体。填补空位填补空位电子电子电子电子电子负离子负离子少子少子结构图结构图原理图原理图负离子负离子硼原子硼原子-多子多子B B

3、空穴空穴空穴3.PN3.PN结结用专门的制造工艺用专门的制造工艺P 区区在同一块半导体单在同一块半导体单晶上，形成晶上，形成P P型半型半导体区域和导体区域和N N型半型半导体区域，在这两导体区域，在这两个区域的交界处就个区域的交界处就形成一个形成一个PNPN结结。N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合内电场方向内电场方向P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合空间电荷区空间电荷区N N 区区在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡动态平衡。P区区少子漂移少子漂移空间电荷区空间电荷区N区区多子扩散多子扩散内电场方

4、向内电场方向PN结的单向导电性结的单向导电性外加正向电压外加正向电压P区区扩散运动增强，形成较大的正向电流。扩散运动增强，形成较大的正向电流。空间电荷区变窄空间电荷区变窄N区区IP区的空穴进入空间电荷区区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷。抵消一部分负空间电荷。内电场内电场外电场外电场N区电子进入空间电荷区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。区抵消一部分正空间电荷。E外加反向电压外加反向电压少子越过少子越过PN结形成结形成很小的反向电流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空间电荷区变宽IR内电场内电场外电

5、场外电场E由上述分析可知：由上述分析可知：PN结具有结具有单向单向导电性导电性切记切记即即在在PN结上加正向电压时，结上加正向电压时，PN结结电阻很低，正向电流较大。（电阻很低，正向电流较大。（PN结处结处于于导通导通状态）状态）加反向电压时，加反向电压时，PN结电阻很高，反结电阻很高，反向电流很小。（向电流很小。（PN结处于结处于截止截止状态）状态）二、二极管二、二极管1.1.结构结构引线引线外壳外壳阳极引线阳极引线铝合金小球铝合金小球PNPN结结触丝触丝N N型锗片型锗片N型硅型硅阴极金锑合金金锑合金D阳极表示符号表示符号底座底座阴极引线阴极引线点接触型点接触型面接触型面接触型半导体二极管

6、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ABC意义N型锗材料P型锗材料N型硅材料符号P

7、ZW意义普通管整流管稳压管符号CUN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示规格号2二极管DEP型硅材料化合物KL开关管整流堆VS半导体特殊器件2.2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性I/mA60注 意:正向正向I/mA40死区电压：硅管约为：死区电压：硅管约为：0.5V,锗管约为：锗管约为：0.1V。105死区死区导通时的正向压降：硅导通时的正向压降：硅-50-25电压电压管约为管约为:0.6V-0.8V,锗管约锗管约为为:0.2V-0.3VO。0.20.4U/V1520-50-25死区死区电压电压O0.4-20击穿电压击穿电压0.8U/VU(BR)反向反向-40I/A

8、常温下，反向饱和电流常温下，反向饱和电流很小很小.当当PN结温度升高时，结温度升高时，-40反向电流明显增加。反向电流明显增加。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

9、加时，反向电流略有增加，随后在一定范围内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UBR，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。击穿后，硅管两端电压基本

10、不变，有稳压作用。1最大整流电流I IFMFM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 UBR 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）URMURM?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。特别注意特别注意:温度升高使正、反向电流增温度升高使正、反向电流增加，管压降会降低，反向击穿电压也加，管压降会降低，反向击穿电压也会降低会降低半导体二极管的选择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

11、，选锗管；若要求反向电流小时，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。u0=UG+UV?限幅图1.2.16二极管限幅电路特殊二极管特殊二极管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UZ:指稳压管在正常工作时管子两端的电压。稳定电流IZ:指稳压管保持稳定电压UZ时的工作电流值。最大工

12、作电流IZM: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

13、线半导体三极管半导体三极管半导体三极管半导体三极管BJT：(双极型三极管，晶体三极管）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三极管是具有电流放大作用的半导体器件，的半导体器件，1947年在美国年在美国的贝尔实验室诞生，开创了微的贝尔实验室诞生，开创了微电子技术的新时代。电子技术的新时代。NPNNPN型型发射区发射区发射结发射结(Je)集电结集电结(Jc)集电区集电区集电极集电极，用用C或或c表示表示（Collector）基区基区发射极发射极，用用E或或e表示表示（Emitter）基极基极，用用B或或b表示表示（Base）NPN

14、型和型和PNP型型两种类型的三极管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，PNNPN型型集电极集电极 C基极基极 bPNP型型CN集电区集电区P 基基 区区N发射区发射区发射极发射极 e集电结集电结b发射结发射结P集电区集电区N 基基 区区P发射区发射区e由两个背靠背的由两个背靠背的PN结组成的三层杂质半导体。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的电流放大原理晶体管具有电流放大作用的外晶

15、体管具有电流放大作用的外RCIBBUBECICUCE部条件：部条件：发射结正向偏置发射结正向偏置集电结反向偏置集电结反向偏置ECEIERB输输入入EB电电路路输输出出电电路路NPN NPN 管：管：U UBEBE0 0 U UBCBC0VVB BVVE EPNP PNP 管：管：U UBEBE0 00即：即：V VC CVVB BVVE E公共端公共端共射极放大电路共射极放大电路三极管的电流控制原理三极管的电流控制原理电子电子电子IC电子流向电源正电子流向电源正极形成极形成IC集电区收集电子集电区收集电子电子在基区的电子在基区的扩散与复合扩散与复合发射区向基发射区向基区扩散电子区扩散电子EB正

16、极拉走电子，正极拉走电子，N补充被复合的空补充被复合的空穴，形成穴，形成IB电子电子电子电子电子电子电子IB电子电子P空穴电子电子电子电子电子电子RCRB电子电子电子电子电子电子电子电子电子EBN电子电子电子EC电子电子电子电子IE电源负极向发射电源负极向发射区补充电子形成区补充电子形成发射极电流发射极电流IE特性曲线和主要参数特性曲线和主要参数输入特性曲线输入特性曲线IB=f(UBE)UC E=常数常数U UCECE1V1V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。场效应管也具有放大作用的半导体器件。场效应管也具有 PN

17、PN结，但工结，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，同时它只流大小。场效应管是一种电压控制型器件，同时它只有一种载流子参与导电，所以又称其为单极型器件。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。能力强、制造工艺简单。S源极源极G栅极栅极D漏极漏极SiO2DN+P型硅衬底型硅衬底BN+GB结构图S电路符号漏极（漏极（D）三个电极源极（S）DGS栅极（栅极（G）P+P+栅极（G）漏极（

18、D）N沟道沟道源极（源极（S）N沟道结型管沟道结型管导电沟道连通导电沟道连通源极源极S和漏极和漏极D箭头方向指箭头方向指向管内向管内N沟道沟道工作原理工作原理UDSID=0SSiO2GD栅源电压对导电沟栅源电压对导电沟道的控制作用道的控制作用(1)U(1)UGSGS=0=0D D与与S S之间是两个之间是两个PNPN结结反向串联，无论反向串联，无论D D与与S S之间加什么极性的电之间加什么极性的电压，漏极电流均接近压，漏极电流均接近于零。于零。N+N+P型硅衬底型硅衬底衬底引线衬底引线B结构示意图结构示意图(2)0 UGSUUGS(th)GS(th)UGSIDGDN型导电沟道栅极下栅极下P

19、P型半导体表型半导体表面形成面形成N N型导电沟道。型导电沟道。当当D D、S S加上正向电压加上正向电压后可产生漏极电流后可产生漏极电流I ID D。SiO2SN+耗尽层耗尽层P型硅衬底型硅衬底BN+由上述讨论可知由上述讨论可知:U UGSGS愈大，导电沟道愈厚愈大，导电沟道愈厚,在在U UDSDS电压作用下电压作用下,电流电流I ID D愈愈大。即通过改变电压大。即通过改变电压U UGSGS的大小可以改变漏极电流的大小可以改变漏极电流I ID D的大小。的大小。随着栅极电压随着栅极电压U UGSGS的增加，导电沟道不断增加的场效应的增加，导电沟道不断增加的场效应管称为增强型场效应管。管称为

20、增强型场效应管。场效应管只有一种载流子参与导电场效应管只有一种载流子参与导电,故称为单极性晶体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。导电称之为双极性晶体管。1UGS的作用的作用漏极漏极D当当UGSPN结变宽结变宽导电沟道变窄导电沟道变窄沟道电阻沟道电阻增大增大 ID注意：注意：VGGRD栅极栅极GP+P+RG源极源极SN沟道沟道VDD与三极管不同，场效应与三极管不同，场效应管通过栅源电压管通过栅源电压U UGSGS变化，变化，控制沟道电流控制沟道电流I ID D，称为，称为电压控制型器件。电压

21、控制型器件。D DNG G NP+P+NP+P+N-+uGS-S+uGS SUGSPN结变宽结变宽导导电沟道变窄电沟道变窄ID当当 UGS=UGS（off）PN结结将沟道夹断将沟道夹断ID=0-UGS（OFF）：夹断电压，：夹断电压，N沟道沟道JFET UGS（off）02UDS的作用的作用-预夹断：预夹断：u uGD=UGS(off)，ID=IDSS（饱和漏电流）（饱和漏电流）预夹断轨迹：预夹断轨迹：u uDS=u uGS-UGS(off)iD不受不受u uDS的控制，只受的控制，只受u uGS控制。控制。预夹断以后，预夹断以后，u uDS超出超出 UGS(off)的部分加在夹断区上，的部分加在夹断区上，练 习怎样利用二极管进行全波整流