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1、第5章 半导体器件,5.2 半导体二极管,5.3 硅稳压二极管,5.4 半导体三极管,5.5 绝缘栅型场效应管,5.1 半导体的基础知识,5.6 电力半导体器件,在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。它是共价键结构。,本征半导体的共价键结构,5.1.1 本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,5.1 半导体的基础知识,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴导电的实质
2、是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两 种载流子。,在外电场作用下， 电子和空穴均能 参与导电。,价电子填补空穴,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,5.1.2 杂质半导体,1 . N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元 素,如磷，则形成N型半导体。,多余价电子,虽然在半导体中掺入杂质的数量极微，但对半导体 的导电性能却有很大的影响。例如，在一立方厘米硅晶 体中约有5.11022个硅原子， 室温下本征激发所产生的电 子，空穴对约为 1.43 1010 对。 如果掺入十亿分之一的 磷，即在一立方厘米硅晶体中掺入,5.1 1022 10 9 = 5.1
3、 1013,个磷原子，就可以提供 5.11013个自由电子，与原来由本征激发所产生的的自由电子的数量相比，增加了3566倍，与原来由本征激发所产生的两种载流子的总数相比，增加了1783倍，因而导电能力大大增强。,另一方面，由于自由电子的增多，增加了空穴与自 由电子复合的机会，原来由本征激发产生的少量空穴又 进一步减少，所以，在掺入五价元素的杂质半导体中， 电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,N 型半导体结构示意图,在N型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。,此图中只画出了掺入的五价元素形成的正离子、多数载流子 和少数载流子。未画出硅原子。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4
4、,空穴,2. P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素，如硼，则形成P 型半导体。,+4,P 型半导体结构示意图,P 型半导体结构示意图,此图中只画出了掺入的三价元素形成的负离子、多数载流子 和少数载流子。亦未画出硅原子。,P 区,N 区,5.1.3 PN 结及其单向导电性,1. PN 结的形成,用专门的制造工艺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了一个特殊的薄层，称为PN结。,多子扩散,少子漂移,内电场方向,空间电荷区,P 区,N 区,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,内电场方向,R,2.
5、PN 结的单向导电性,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷,多子扩散运动增强，形成较大的正向电流,(1) 外加正向电压,P 区,N 区,内电场方向,R,(2)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,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,1、PN结加正向电压：PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。,相当于开关闭合,PN结的单向导电性：,2、PN结加反向电压：PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。,相当
6、于开关打开,正极 引线,含三价 元素的 金属触丝,N型锗,支架,外壳,负极引线,点接触型二极管,5.2.1 二极管的结构和符号,5.2 半导体二极管,PN结,5.2.2 二极管的伏安特性,二极管和PN结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V,锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6V0.7V,锗管约为0.20.3V。,60,40,20, 0.02, 0.04,0,0.4,0.8,25,50,I / mA,U / V,正向特性,硅管的伏
7、安特性,反向特性,在二极管上加反向电压时,反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压URBR,5.2.2 二极管的伏安特性,二极管的近似伏安特性和理想伏安特性,(a)当电源电压与二极管导通时的正向电压降相差不多时，正向电压降不可忽略，可采用近似伏安特性,(b)当电源电压远大于二极管导通时的正向电压降时，则可将二极管看成理想二极管，可采用理想伏安特性,对于理想二极管,正向特性：二极管加正向电压,对于理想二极管,反 向特性：二极管加反向电压,5.2.3 二极管的主要参数,最大整流电流IOM 最大整流电流是
8、指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,最高反向工作电压UDRM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,反向电流IR 它是指二极管加上给定反向偏置电压时的反向电流值。 IR越小，二极管的单向导电性越好。,二极管的应用范围很广,它可用作钳位、限幅、整流、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,例1：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管， 求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解： DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后, DB因反偏而截止, 起隔离作用, DA起钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2
9、.7V。,5.2.4 二极管的主要应用,解: (1) VA= VB= VC= 3V,VY= 3.3V.,二极管与门电路,A,B,C,DA,DB,DC,VY=3.3V,Y,DA、DB、DC都导通,例2：下图中，DA 、DB和DC均为锗管，求下列两种情况下输出端Y的电位并说明二极管的作用。(1)VA= VB= VC= 3V; (2) VA= 0V, VB= VC= 3V.,二极管与门电路,A,B,C,DA,DB,DC,(2) VA= 0V, VB= VC= 3V 则 DA抢先导通,VY= 0.3V,VY=0.3V,Y,DB、DC截止,DA导通后，DB和DC因反偏而截止， 起隔离作用； DA起钳位作
10、用，将Y端的电位钳制在+0.3V。,例2：下图中，DA 、DB和DC均为锗管，求下列两种情况下输出端Y的电位并说明二极管的作用。(1)VA= VB= VC= 3V; (2) VA= 0V, VB= VC= 3V.,解:,例1：下图是二极管单向限幅电路，D为理想二极管，ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形 。, t, t,ui / V,uo/V,6,0,0,2,解：（1）当ui 3V时， D反向偏置，D截止。 uo = ui,（2）当ui 3V时， D正向偏置，D导通。 uo = E = 3V,uR / V, t,ui / V,6,0,2, t,uo/V,0,例2：下图是
11、二极管双向限幅电路，D为理想二极管， ui = 6 sin t V, E1= E2= 3V, 试画出 uo波形 。,(2)当 3V ui 3V时， D1，D2均截止。 uo = ui,解：（1）当ui 3V时， D1导通，D2截止。 uo = E1 = 3V,(3)当 ui 3V时， D1截止，D2导通。 uo = E2 = 3V,uo, t,o, t,o, t,o, t,o,2,3,uo,u2,u2,u1,uD,io,io,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,uD,D,2.二极管整流,将交流电变成直流电称为整流。,（1）单相半波整流电路,uO, t,0, t, t, t,2,3,uO,u
12、2,u2,u1,uD,uD,iO,iO,D,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,=0.45U2,电路计算,0,0,0,uO的电压平均值 ：,负载 的电流平均值 ：,2,二极管承受的最高反向电压：,(2)单相桥式整流电路,整流电路中最常用的是单相桥式整流电路它由四个二极管 D1D4 接成电桥的形式构成。,u2,Tr,u1,RL,D1,D4,D3,D2,uo,io,+,+,+,t,o,t,o,t,o,2,3,uo,uD,io,2,3,Im,2,3,u2,D1 和D3 导通(相当于短路), D2 和D4 截止(相当于开路),u2正半周 a 点电位最高， b点电位最低。,D2 和D4 导通(相当于短路), D1 和D3 截止(相当于开路),u2负半周 a 点电位最低， b点电位最高。,(2) 整流工作原理,uD1,+,uD2,+,a,b,c,d,
