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1、第第1 1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用 1 2 1 2 半导体二极管半导体二极管 1 3 1 3 桥式整流电路及滤波电路桥式整流电路及滤波电路 1 4 1 4 稳压二极管和稳压管稳稳压二极管和稳压管稳 压电路压电路 1 1 PN1 1 PN结及其单向导电性能结及其单向导电性能 1 第第1 1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用 本章要求 本章要求 一 理解一 理解PNPN结的单向导电性 结的单向导电性 二 了解二极管 稳压管的基本构造 工二 了解二极管 稳压管的基本构造 工 作原理和特性曲线 理解主要参数的意义 作原理和特性曲线 理解主要参数的意义 三 会分析含有二
2、极管的电路 三 会分析含有二极管的电路 四 了解四 了解桥式整流电路 滤波电路及稳压管稳桥式整流电路 滤波电路及稳压管稳 压电路压电路 的工作原理及其应用的工作原理及其应用 2 学会用工程观点分析问题 就是根据实际情况 学会用工程观点分析问题 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似 以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结 果 果 对电路进行分析计算时 只要能满足技术指标 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 就不要过分追究精确的数值 器件是非线性的
3、 特性有分散性 器件是非线性的 特性有分散性 RC RC 的值有误差的值有误差 工程上允许一定的误差 采用合理估算的方法 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 件的目的在于应用 3 1 1 PN结及其单向导电性 1 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 如热敏电阻可做成温度敏感元件 如热敏电阻 掺杂性掺杂性 往纯净的半导体中掺入某些杂质 导电往纯净的半导体中掺入某些杂质 导电 能
4、力明显改变能力明显改变 可做成各种不同用途的半导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 体器件 如二极管 三极管和晶闸管等 光敏性 光敏性 当受到光照时 导电能力明显变化当受到光照时 导电能力明显变化 可做可做 成各种光敏元件 如光敏电阻 光敏二极成各种光敏元件 如光敏电阻 光敏二极 管 光敏三极管等管 光敏三极管等 热敏性 热敏性 当环境温度升高时 导电能力显著增强当环境温度升高时 导电能力显著增强 4 1 1 11 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 称为本征完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本征 半导体 半导体 晶体中原子的排列方式晶
5、体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子 称为共价键中的两个电子 称为价电子价电子 Si Si Si Si 价电子 5 Si Si Si Si 价电子 价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量 温度升高或受光照 后 温度升高或受光照 后 即可挣脱原子核的束缚 即可挣脱原子核的束缚 成为 成为自由电子自由电子 带负电 带负电 同时共价键中留下一 同时共价键中留下一 个空位 称为个空位 称为空穴空穴 带正 带正 电 电 本征半导体的导电机理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 晶体中产温度愈高 晶体中产 生的自由电子便愈多 生的自
6、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子在外电场的作用下 空穴吸引相邻原子的价电子 来填补 而在该原子中出现一个空穴 其结果相当来填补 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 于空穴的运动 相当于正电荷的移动 6 本征半导体的导电机理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 两部分电流两部分电流 1 1 自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流 2 2 价电子递补空穴价电子递补空穴 空穴电流空穴电流 注意 注意 1 1 本征半导体中载流子数目极少本征半导体中
7、载流子数目极少 其导电性能很差其导电性能很差 2 2 温度愈高 温度愈高 载流子的数目愈多载流子的数目愈多 半导体的导电性半导体的导电性 能也就愈好 能也就愈好 所以 温度对半导体器件性能影响很大所以 温度对半导体器件性能影响很大 自由电子和自由电子和空穴都称为载流子 空穴都称为载流子 自由电子和自由电子和空穴成对地产生的同时 又不断复合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 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 半导体中载流子便维持一定的数目 7 1 1 2 N1 1 2 N型半导体和型半导体和 P P 型半导体
8、型半导体 掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目 大量增加 自由电子导电大量增加 自由电子导电 成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导 电方式 称为电子半导体电方式 称为电子半导体 或或N N型半导体 型半导体 掺入五价元素掺入五价元素 Si Si Si Si p 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 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 形成杂质半导体 在在N N 型半导体中型半导体中自由电子是自由电子是 多数载流子 空穴是少数载多数载流子 空穴是少数载 流子 流子 动画 8 1 1 2
9、N1 1 2 N型半导体和型半导体和 P P 型半导体型半导体 掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量 增加 空穴导电成为这增加 空穴导电成为这 种半导体的主要导电方种半导体的主要导电方 式 称为空穴半导体或式 称为空穴半导体或 P P型半导体 型半导体 掺入三价元素掺入三价元素 Si Si Si Si 在在 P P 型半导体中型半导体中空穴是多空穴是多 数载流子 自由电子是少数数载流子 自由电子是少数 载流子 载流子 B 硼原子 接受一个接受一个 电子变为电子变为 负离子负离子 空穴 动画 无论无论N N型或型或P P型半导体都是中性的 对外不显电性 型半导体都是中性的 对外不显电性 9 1
10、1 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 a a 掺杂浓度 掺杂浓度 b b 温度 有关 温度 有关 2 2 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 a a 掺杂浓度 掺杂浓度 b b 温度 有关 温度 有关 3 3 当温度升高时 少子的数量当温度升高时 少子的数量 a a 减少 减少 b b 不变 不变 c c 增多 增多 a a b b c c 4 4 在外加电压的作用下 在外加电压的作用下 P P 型半导体中的电流型半导体中的电流 主要是主要是 N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 a a 电子电流 电子电流 b b 空穴电流 空穴电流 b
11、b a a 10 1 1 31 1 3 PN PN结的形成结的形成 载流子的两种运动 扩散运动和漂移运动 扩散运动 电中性的半导体中 载流子从浓 度高的区域向浓度较低区域的运动 漂移运动 在电场作用下 载流子有规则的 定向运动 11 PNPN结的形成结的形成 多子的扩散运动 内电场 少子的漂移运动 浓度差 P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体 内电场越强 漂移运内电场越强 漂移运 动越强 而漂移使空间动越强 而漂移使空间 电荷区变薄 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 扩散和漂移扩散和漂移 这一对相反的这一对相反的 运动最终达到运动最终达到 动态平衡
12、 空动态平衡 空 间电荷区的厚间电荷区的厚 度固定不变 度固定不变 动画 形成空间电荷区 12 1 1 4 PN1 1 4 PN结的单向导电性结的单向导电性 1 PN 1 PN 结加正向电压结加正向电压 正向偏置 正向偏置 PN 结变窄 P接正 N接负 外电场 IF 内电场被内电场被 削弱 多子削弱 多子 的扩散加强的扩散加强 形成较大 形成较大 的扩散电流的扩散电流 PN PN 结加正向电压时 结加正向电压时 PNPN结变窄 正向电流较结变窄 正向电流较 大 正向电阻较小 大 正向电阻较小 PNPN结处于导通状态 结处于导通状态 内电场 PN 动画 13 2 PN 2 PN 结加反向电压结加
13、反向电压 反向偏置 反向偏置 外电场外电场 P P接负 接负 N N接正接正 内电场内电场 P P N N 动画 14 PN PN 结变宽结变宽 2 PN 2 PN 结加反向电压结加反向电压 反向偏置 反向偏置 外电场外电场 内电场被加 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 IR P P接负 接负 N N接正接正 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 动画 PN PN 结加反向电压时 结加反向电压时 PNPN结变宽 反向电流较小 结变宽 反向电流较小 反向电阻较大 反向电阻较大 PNPN结处于截止状态 结处于截止状
14、态 内电场内电场 P P N N 15 二极管二极管的单向导电性的单向导电性 1 1 二极管加正向电压 正向偏置 阳极接正 阴二极管加正向电压 正向偏置 阳极接正 阴 极接负极接负 时 时 二极管处于正向导通状态 二极管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 正向电阻较小 正向电流较大 2 2 二极管加反向电压 反向偏置 阳极接负 阴极二极管加反向电压 反向偏置 阳极接负 阴极 接正接正 时 时 二极管处于反向截止状态 二极管反向二极管处于反向截止状态 二极管反向 电阻较大 反向电流很小 电阻较大 反向电流很小 3 3 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿 失去外加电压大于
15、反向击穿电压二极管被击穿 失去 单向导电性 单向导电性 4 4 二极管的反向电流受温度的影响 温度愈高二极管的反向电流受温度的影响 温度愈高 反向电流愈大 反向电流愈大 16 1 21 2 半导体二极管半导体二极管 1 2 1 1 2 1 基本结构基本结构 a a 点接触型点接触型 b b 面接触型面接触型 结面积小 结面积小 结电容小 正结电容小 正 向电流小 用向电流小 用 于检波和变频于检波和变频 等高频电路 等高频电路 结面积大 结面积大 正向电流大 正向电流大 结电容大 用结电容大 用 于工频大电流于工频大电流 整流电路 整流电路 c c 平面型平面型 用于集成电路制作工艺中 用于集
16、成电路制作工艺中 PNPN结结面积可大可小结结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 用于高频整流和开关电路中 17 阴极引线 阳极引线 二氧化硅保护层 P型硅 N型硅 c 平面型 金属触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线 外壳 a 点接触型 铝合金小球 N型硅 阳极引线 PN结 金锑合金 底座 阴极引线 b 面接触型 图 1 12 半导体二极管的结构和符号 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 阴极阳极 d 符号 D 18 1 2 2 1 2 2 伏安特性伏安特性 硅管硅管0 5V 0 5V 锗管锗管0 0 1V 1V 反向击穿 电压U BR 导通压降导通压降 外加电压大于死区外加电压大于死区 电压二极管才能导通电压二极管才能导通 外加电压大于反向击外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿 穿电压二极管被击穿 失去单向导电性 失去单向导电性 正向特性正向特性 反向特性 特点 非线性特点 非线性 硅硅0 0 6 0 8V 6 0 8V 锗锗0 0 2 2 0 3V0 3V U I 死区电压死区电压 P N P N 反向电流反向电流 在一定电压在一定电压 范围内保持范围内保持 常数 常数 1
