《第1讲(半导体PN节二极管)》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第1讲(半导体PN节二极管)(25页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、电工技术 电路理论: 直流、交流、暂态、非正弦。 磁路和电机: 变压器、电磁铁、 三相异步电动机及控制。 电子技术 模拟电子线路: 半导体器件、分离件放大器、 集成运放、电源 数字电路: 各种门电路、组合电路、 时序电路及 555的应用电路。 学习要求: 每 2周交作业一次, 3次不交者及无故旷课 3次以上者取消平时成绩,平时成绩占 30,期末成绩占 70。 电工学 之 电子技术 一、本课程研究内容 1.两种电信号 当今存在的最基本的电信号有两类: 数字信号 模拟信号 ( 1)模拟信号: 是指在时间和数值上均连续变化的电信号。 例如,正弦波 u=Uimsint 序 论 u随 t永不间断地变化着
2、。 一切物理量都可以转换成模拟电信号。 ( 2)数字信号: 是指在时间和数值上离散(断续)变化的电信号。 例如 矩形波 ut时有时无序 论 2.两种基本电路 ( 1) 模拟电路 :处理模拟信号的电子电路。 ( 2) 数字电路 :处理数字信号的电子电路。 本课程研究模拟电路和数字电路的基础知识。 3.模拟电路部分课程学习内容 ( 1)常用的 半导体器件 和 集成电路 的特性与使用。 ( 2)各种典型模拟电路的 组成 、 工作原理 、 电性能 、 分析方法 、 简单设计 。 二极管 稳压管 三极管 运算放大器 稳压块 序 论 第 14 章 二极管和晶体管 14.3 二极管 14.4 稳压二极管 1
3、4.5 晶体管 14.1 半导体的导电特性 14.6 光电器件 14.2 PN节及其单向导电性 半导体 : 导电能力介乎于导体和绝缘体之 间 的物质。 半导体特性 : 热敏特性、光敏特性、掺杂特性 一、什么叫半导体( Semiconductors) 如: 硅、锗、硒、砷化镓 以及 大多数金属氧化物 和硫化物 等。 1、温度特性 2、光照特性 3、电磁特性 利用这些特性可做成不同类型的传感器 14.1 半导体的导电特性 14.1 半导体的导电特性 本征半导体 就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。 14.1.1 本征半导体 自由电子 空穴 共价键 Si Si Si Si 本征半导体中自由 电子和
4、空穴的形成 用得最多的半导体是 硅 或 锗 ,它们都是四价元素 。 将硅或锗材料提纯并形成单晶体后 , 便形成 共价键结构 。在获得一定能量 (热 、 光等 )后 , 少量价电子即可挣脱 共价键的束缚成为 自由电子 , 同时在共价键中就留下一个空位 , 称为 空穴 。 自由电子和空穴总是成对出现 , 同时又不断复合 。 两种载流子 在外电场的作用下 , 自由电子逆着电场方向定向运动形成 电子电流 。 带正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补 , 而在该原子的共价键中产生另一个空穴 。 空穴被填补和相继产生的现象 ,可以看成空穴顺着电场方向移动 , 形成 空穴电流 。 可见在半导体中有 自由电子
5、 和 空穴 两种 载流子 ,它们都能参与导电 。 空穴移动方向 电子移动方向 外电场方向 Si Si Si Si Si Si Si 14.1.2 N 型半导体和 P 型半导体 1、 N 型半导体 在硅或锗的晶体中掺入 五价元素磷 , 当某一个硅原子被磷原子取代时 , 磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共价键 , 多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子 。 因而自由电子的数量大大增加 , 是多数载流子 , 空穴是少数载流子 , 将这种半导体称为 N 型半导体 。 Si Si Si Si Si Si Si P 多余价电子 本征半导体中由于载流子数量极少 , 导电能力很低 。 如果在其中
6、参入微量的杂质 (某种元素 )将使其导电能力大大增强 。 2、 P 型半导体 在硅或锗的晶体中掺入 三价元素硼 , 在组成共价键时将因缺少一个电子而产生一个空位 , 相邻硅原子的价电子很容易填补这个空位 , 而在该原子中便产生一个空穴 , 使空穴的数量大大增加 , 成为多数载流子 , 电子是少数载流子 , 将这种半导体称为 P 型半导体 。 Si Si Si Si Si Si B空位 空穴 价电子填补空位 注意: 不论 N型半导体还是 P型半导体,虽然它们都有一种载流子占多数,但是整个晶体仍然是 不带电的 。 14.2 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
7、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 。 P 区 N 区 N区的电子向 P区扩散并与空穴复合 PN 结 内电场方向 PN结的形成 2. PN 结的单向导电性 (1) 外加正向电压 内电场方向 E 外电场方向 R I 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 空间电荷区变窄 扩散运动增强,形 成较大的正向电流 P 区 N 区 内电场方向 E R 空间电荷区变宽 外电场方向 IR 2. 外加反向电压 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和
8、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 PN结 的单向导电性 一、 PN结的形成 在 N型半导体和 P型半导体交界面处形成的带电薄层。又称空间电荷区、阻挡层。 2.PN结的形成过程 是电子和空穴不断运动的综合结果。 多子 扩散 建立内电场(空间电荷区) 阻扩散 生漂移 (少子 ) 动态平衡 扩散数 = 漂移数 空间电荷区宽度一定 PN结形成了 14.3 二极管 14.3.1 基本结构 将 PN 结加上相应的电极引线和管壳,就成为半导体二极管。按结构分,有点接触型和面接触型两类。 点接触型 表示符号 正极 负极 金锑合金 面接触型 N型锗 正极引线
9、 负极引线 PN 结 底座 铝合金小球 引线 触丝 N 型锗 外壳 14.3.2 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 0.6 0.7V, 锗管约为 0.2 0.3V。 60 40 20 0.02 0.04 0 0.4 0.8 25 50 I / mA U / V 正向特性 硅管的伏安特性 死区电压 击穿电压 U(BR)
10、 反向特性 I / mA U / V 0.2 0.4 25 50 5 10 15 0.01 0.02 锗管的伏安特性 0 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 U(BR)。 14.3.3 主要参数 1. 最大整流电流 IOM 最大整流电流是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 。 2. 反向工作峰值电压 URWM 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。 3. 反向峰值电流 I
11、RM 它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 例 1 在图中,输入电位 VA = + 3 V, VB = 0 V, 电阻 R 接负电源 12 V。求输出端电位 VY。 解 因为 VA 高于 VB , 所以 DA 优先导通 。 如果二极管的正向压降是 0.3 V, 则 VY = + 2.7 V。 当 DA 导通后 , DB 因反偏而截止 。 在这里 , DA 起钳位作用 , 将输出端电位钳制在 + 2.7 V。 二极管的应用范围很广 , 主要都是利用它的单向导电性 。 它可用与整流 、 检波 、 限幅 、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件 。 DA 12V Y VA VB DB R
12、 返回 【 例 2】 试分析图 (1)所示的限幅电路 ,输入电压的波形为图(2),画出它的限幅电路的波形 . 解:状态 输出值 条件 D导通, uo=E, uiE D截止, uo=ui, uiE D截止, uo=ui, uiE 瞬态抑制二极管( Transient Voltage Suppressor)简称 TVS,是一种二极管形式的 高效能保护器件 。 当TVS 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以 10的负 12次方秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元 器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。 特点
13、: 响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差 、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。 广泛应用于 计算机系统、通讯设备、交 /直流电源、汽车、电子镇流 器、家用电器、仪器仪表 (电度表)、 RS232/422/423/485、 I/O、 LAN、 ISDN、 ADSL、 USB、 MP3、PDAS、 GPS、 CDMA、 GSM、数字照相机的保护、共模 /差模保护、 RF 耦合 /IC 驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频 /视频输入、传感器 /变速 器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制 等各个领域。 补充知识:特殊二极管 14.4 稳压二级管 稳压管是一种特殊的面接触型半导
14、体硅二极管 。 其表示符号如下图所示 。 稳压管 工作于 反向击穿区 。从反向特性曲线上可以看出 , 反向电压在一定范围内变化时 , 反向电流很小 。 当反向电压增高到击穿电压时 , 反向电流突然剧增 ,稳压管 反向击穿 。 此后 , 电流虽然在很大范围内变化 , 但 稳压管两端的电压变化很小 。 利用这一特性 , 稳压管 在电路中能起作用 。 I/mA U/V O UZ IZ IZM + 正向 + 反向 UZ IZ 稳压管的主要参数有下面几个: 1. 稳定电压 UZ 4. 稳定电流 IZ 3. 动态电阻 rZ 2. 电压温度系数 U说明稳压管受温度变化影响的系数 5. 最大允许耗散功率 PZM ZZZ IUr例 1 图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少? R 是限流电阻,其值是否合适? IZ DZ +20 R = 1.6 k UZ = 12V IZM = 18 mA IZ 例 1 的图 IZ IZM ,电阻值合适。 解 mA5A105A106.1 1220 33Z I