电工学 半导体二极管和三极管课件

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1、,电工学（下册） 电 子 技 术,安徽工业大学 20112012学年第一学期,个 人 简 介,PhD, 副教授 研究方向：固态量子计算和量子信息 主持国家自然科学基金一项；省优秀青年教师资助项目一项； Email：,每周两次课的作业在平时成绩册上登记一次，每学期共登记8次。 按校学生守则规定，每次所收作业只批改1/3，学生在作业的第一页按学号尾号填写批次。 学号尾号0、1、2、3是第一批次；4、5、6是第二批次；7、8、9是第三批次。改一个批次作业时，其余批次的作业阅过后登记。 按校学生守则规定，一学期作业所登次数少于4次，该生无资格参加本课程考试。 评分标准： 1.一学期所登次数4次，得60

2、分； 2.一学期登满4次后，再每登一次得8分，并根据所交作业的质量好坏，在8分的基础上，适当加减。 3.无故补交一次作业减2分。 4.缺交一次作业减10分。,电工学平时作业管理办法及评分标准,电 子 技 术 的 应 用（信 号 检 测）,压力、温度、水位、水流量等的测量与调节; 电子仪器（如信号发生器，电子脉搏器）; .,电 子 技 术 的 应 用（汽 车 电 子）,点火装置，燃油喷射控制、 发动机电子控制,车速控制、间隙刮水、 除雾装置、车门紧锁,安全带、车灯未关报警、 速度报警、安全气囊,空调控制、动力窗控制,里程表、数字式速度表、 出租车用仪表,收音机、CD,几种模拟信号波形 (a) 正

3、弦波 (b) 三角波 (c) 调幅波 (d) 阻尼振荡波,信号的分类,模拟信号,模拟信号的幅值随时间呈连续变化，波形上任意一点的数值均有其物理意义。,数字信号,数字信号只在某些不连续的瞬时给出函数值,其函数值通常是某个最小单位的整数倍。,信 号 及 其 分 类,信号的分类,模拟信号,模拟信号的幅值随时间呈连续变化，波形上任意一点的数值均有其物理意义。,数字信号,数字信号波形举例,数字信号只在某些不连续的瞬时给出函数值,其函数值通常是某个最小单位的整数倍。,电工学（下） 电子技术,第14章 半导体二极管和三极管 (2次课),第15章 基本放大电路 (4.5次课),第16章 集成运算放大器 (2次

4、课),第17章 电子电路中的反馈 (2.5次课),第18章 直流稳压电源 (2次课),第19章 电力电子技术,第20章 门电路和组合逻辑电路 (3次课),第21章 触发器和时序逻辑电路 (4次课),第22章 存储器和可编程逻辑器件,第23章 模拟量和数字量的转换,主 要 教 学 内 容,主要教学内容,参 考 书 目,1. 秦曾煌主编 电工学第七版 高教出版社 2. 骆雅琴主编 电子技术辅导与实习教程第二版 中科大出版社 3. 图书馆其它相关模拟电子、数字电子教材,第14章 半导体器件,14.1 半导体的导电特性 14.2 PN结及其单向导电性 14.3 二极管 14.4 稳压二极管 14.5

5、晶体管 14.6 光电器件,本章要求： 理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用； 了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 会分析含有二极管的电路。,第14章 半导体二极管和三极管,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似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。 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。 器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、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、技术指标和正确使用方法，不要过分追

6、究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,导体： 电阻率小于10-3cm 量级; 绝缘体：电阻率大于108cm量级; 半导体：电阻率介于导体和绝缘体之间;,导电 能力,14.1 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)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(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）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,14.1.1 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体

7、。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,本征半导体的导电机理,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,空穴,自由电子,空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中又出现一个空穴，如此继续下去，就好像空穴在运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体中产生电子空穴对的现象称为本征激发。,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 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)被原子束缚的价电子递补空穴 空穴电流,注意： (1) 本征半导体

8、中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 本征半导体中，自由电子数目恒等于空穴数目。 (3) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对产生的同时，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，半导体中载流子便维持一定的数目。,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,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

9、掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的， 对外不显电性。,应注意：,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b

10、. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,14.2 PN结及其单相导电性,扩散运动： 载流子受扩散力的作用所产生的运动称为扩散运动。 扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,1. 扩散运动和扩散电流,扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比,14.2 PN结及其单相导电性,漂移运动： 载流子受电场力的作用所产生的运动成为漂移运动。 漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,2. 漂移运动和漂移电流,漂移电流的大小与电场强度成正比,14.2.1 PN

11、结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,14.2 PN结及其单相导电性,内电场越强，漂移运动越强，阻碍多子扩散运动能力越强，而漂移使空间电荷区变薄。,少子 漂移,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,多子 扩散,形成空间电荷区产生内电场,促使,阻止,PN结的两大基本特征：,当P型半导体和N型半导体共处时，产生空间电荷区， 形成内电场，内电场的方向为N指向P。 2. 整个半导体仍然是电中性的。,PN结加上正向电

12、压（正向偏置）的意思是：P区加正、N区加负电压； PN结加上反向电压（反向偏置）的意思是：P区加负、N区加正电压；,14.2.2 PN结的单向导电性,14.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,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接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向

13、电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,结 论,PN结具有单向导电性,（1） PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。,（2）PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流Is，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。,PN结的单向导电性,一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管，接在P型半导体一侧的引出线称为阳极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。,14.3 半导体二极管,(a) 点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大

14、、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,参看二极管的实物图,14.3 半导体二极管,14.3.2 伏安特性,硅管0.5V, 锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元

15、件。,14.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，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,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3. 反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向

16、电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 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。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管单向导电性,二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10，反向电流大约增加一倍。,温度对二极管伏安特性的影响,二极管的温度特性,二极管应用电路,1. 整流电路,2. 限幅电路,3. 钳位电路,4. .,定性分析：判断二极管