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1、(11-1),第十一章 常用半导体器件,自动化与电子信息学院 电工学教研组,(11-2),第11章 常用半导体器件,本章要求:一、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;二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工 作原理和特性曲线,理解主要参数的意义;三、会分析含有二极管的电路。,(11-3),第十一章 常用半导体器件, 11.1 半导体的基础知识与PN结 11.2 半导体二极管 11.3 特殊二极管 11.4 晶体三极管 11.5 场效应晶体管,(11-4),11.1 半导体的基础知识,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
2、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、晶体管和晶闸管等)。,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,(11-5),1.本征半导体(纯净半导体),一、本征半导体的结构特点,现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。,(11-6),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。,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。,(11-7),共价键中的两个电子被紧
3、紧束缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。,共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。,(11-8),二、本征半导体的导电机理,在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子),它的导电能力为 0,相当于绝缘体。,在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,(11-9),自
4、由电子,空穴,束缚电子,二、本征半导体的导电机理,带电粒子(即载流子),(11-10),2.本征半导体的导电机理,思考:空穴和自由电子的移动方向相反,所形成的电流方向是否也相反?,本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子和空穴。,(11-11),温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成: 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,(11-12),2. 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性
5、能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。,N 型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。,negative,positive,(1-13),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。,(1-14),2
6、 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,动画,无论N型或P型半导体都是中性的,对外不显电性。,(11-15),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. 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
7、中的电流主要是 。 (a. 电子电流、b.空穴电流),b,a,(11-16),金属和半导体的导电机理有何不同?,金属是自由电子的移动产生电流;半导体的空穴和电子移动产生电流,但由于多子和少子的数量相差很大,起导电作用的主要是多子。,(1-17),11.1.2 PN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,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,(11-18),1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子(都是多子)向对方运动(扩散运动)。,3、P
8、区中的电子和 N区中的空穴(都是少),数量有限,因此由它们形成的电流很小。,注意:,(11-19),PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是: P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是: P区加负、N 区加正电压。,思考:正向偏置和反向偏置对内电场的作用有何不同?,(11-20),R,E,一、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱,多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,(11-21),二、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强,多子的扩散受抑制。少子漂移加强,但少子数量有限,只能形成较小的反向电流。,R,E,(11-22),
9、PN结的形成,扩散运动和漂移运动的动态平衡,扩散强,漂移运动增强,内电场增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,外加电压,平衡破坏,扩散强,漂移强,PN结导通,PN结截止,(11-23),PN结的单向导电性,正向偏置和反向偏置时,流过PN结的电流有何不同?理想情况下,正向偏置和反向偏置时,PN结在电路中的作用有何不同?,正向偏置:PN结呈现低阻导通状态,通过PN结的电流基本是多子的扩散电流正向电流,反向偏置:PN结呈现高阻状态,通过PN结的电流是少子的漂移电流-反向电流,(11-24),11.2 半导体二极管,(11-25),11.2 半导体二极管,D,(11-26),二、伏安特性,死区电压 硅管
10、0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,不同区域二极管在电路中的作用有何不同?,(1-27),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,
11、为硅管的几十到几百倍。,(11-28),二极管电路分析举例,定性分析:判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法:将二极管断开,分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 ),二极管导通若 V阳 V阴 二极管导通若忽略管压降,二极管可看作短路,UAB = 6V否则, UAB低于6V一个管压降,为6.3或6.7V,例1:,取 B 点作参考点,断开二极管,分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里,二极管起钳位作用。,(11-30),两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点,断开二极管,分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V,V2阳=0 V,V1阴 =
12、 V2阴= 12 VUD1 = 6V,UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通, D1截止。若忽略管压降,二极管可看作短路,UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求:UAB,在这里, D2 起钳位作用, D1起隔离作用。,(11-31),ui 8V,二极管导通,可看作短路 uo = 8V ui 8V,二极管截止,可看作开路 uo = ui,已知: 二极管是理想的,试画出 uo 波形。,8V,例3:,二极管的用途: 整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,(11-32),二极管应用举例,主要利用二极管的
13、单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,例: 图中电路,输入端A的电位VA=+3V,B的电位VB=0V,求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。(两个二极管均为锗二级管,正向压降0.3V),VY=+2.7V,解:,DA优先导通, DA导通后, DB上加的是反向电压,因而截止。,DA起钳位作用, DB起隔离作用。,(11-33),二极管的应用举例,(11-34),11.3 特殊二极管,11.3.1 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡,电压越稳定。,-,UZ,(11-35),(4)稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,(5)最大允
14、许功耗,稳压二极管的参数:,(1)稳定电压 UZ,(3)动态电阻,正向电压还是反向电压?,(11-36),稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻 。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时,负载电压基本不变。,解:令输入电压达到上限时,流过稳压管的电流为Izmax 。,求:电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,(11-37),令输入电压降到下限时,流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2,可解得:,(11-38),符号,光的颜色视发光材料的波长而定。如采用磷砷化镓,可发出红光或黄光;如采用磷化镓,可发出绿光。它的电特性与一般二极管类似,正向电压较一般二极管高,
15、1.53V,电流为几 几十mA。,发光二极管,11.3.2 发光二极管,当在发光二极管(LED)上加正向电压,并有足够大的正向电流时,就能发出可见的光。这是由于电子与空穴复合而释放能量的结果。,(11-39),11.3.3光电二极管,将光信号转换为电流信号。,符号,发光二极管,光电二极管是在反向电压作用下工作。当无光照时,和普通二极管一样,其反向电流很小。当有光照时,其反向电流增大,称为光电流。,光电二极管,(11-40),11.4 晶体三极管,(11-41),(11-42),11.4 晶体三极管,11.4.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,(11-43),NPN型三极管,PNP型三极管,(11-44),基区:较薄,掺杂浓度低,集电区:面积较大,发射区:掺杂浓度较高,集电结,发射结,结构特点:,