电工及电子技术第9章

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1、电工及电子技术第电工及电子技术第 9 9 章章本文由 Tg 九留贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第九章 晶体二极管与整流电路9.1 半导体的导电特性 PN 结 9.2 PN 结 9.3 晶体二极管9.4 稳压二极管 9.59. 6 晶体管 光电器件对于元器件，重点放在特性、参数、 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。 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。 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

2、， 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， 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、特性有分散性、 器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误 工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。 差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性： 半导体的导电特性： 热敏性：当环境温度升高时， 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 可做成温度敏感元件，如热敏电阻) (可做成温度敏感

3、元件，如热敏电阻)。光敏性：当受到光照时， 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 成各种光敏元件，如光敏电阻、 光敏三极管等) 管、光敏三极管等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质， 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( 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） 。 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等） 。9.1.1 本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体， 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。 半导体。价电子 Si SiSi 共价健 晶体中原子的排列方式Si硅单

4、晶中的共价健结构共价键中的两个电子，称为价电子。 共价键中的两个电子，称为价电子 价电子。本征半导体的导电机理 价电子在获得一定能量 温度升高或受光照） （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， Si Si 成为自由电子 带负电） ， 自由电子（ 成为自由电子（带负电） ， 同时共价键中留下一个空 Si Si 称为空穴 带正电） 空穴（ 位，称为空穴（带正电） 。 这一现象称为本征激发。 这一现象称为本征激发。 空穴 温度愈高， 温度愈高，晶体中产 价电子 生的自由电子便愈多。 生的自由电子便愈多。 在外电场的作用下， 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子

5、 来填补，而在该原子中出现一个空穴， 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） 。自由电子本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时， 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 (1)自由电子作定向运动 (2)价电子递补空穴 空穴电流 (2)价电子递补空穴 自由电子和空穴都称为载流子 空穴都称为载流子。 自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时 空穴成对地产生的同时， 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复 在一定温度下， 合。在一定温度下

6、，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。 平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。 注意： 注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性 温度愈高， 载流子的数目愈多, 能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。9.1.2 N 型半导体和 P 型半导体 N 型半导体和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。在常温下即

7、可 变为自由电子 掺入五价元素 掺杂后自由电子数目 Si Si 多 大量增加， 余 大量增加，自由电子导电 电 成为这种半导体的主要导 p+ Si Si 电方式， 子 电方式，称为电子半导体 动画 型半导体。 或 N 型半导体。 失去一个 电子变为 正离子 在 N 型半导体中自由电子 型半导体中自由电子 磷原子 是多数载流子， 是多数载流子，空穴是少数 载流子。 载流子。9.1.2 N 型半导体和 P 型半导体 N 型半导体和Si SiSi BSi硼原子 接受一个 电子变为 负离子掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量 增加， 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

8、P 型半导体。 型半导体。 型半导体中空穴是多 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子， 数载流子，自由电子是少数 载流子。 载流子。动画无论 N 型或 P 型半导体都是中性的，对外不显电性。 无论 N 型或 P 型半导体都是中性的，对外不显电性。1. 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度、b.温度 有关。 温度） （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 掺杂浓度、b.温度 有关。 温度） 3. 当温度升高时，少子的数量 当温度升高时， c 减少、 不变、 增多） 。 （a. 减少、b. 不变、c. 增多） 。 4. 在外

9、加电压的作用下，P 型半导体中的电流 在外加电压的作用下， 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。 （a. 电子电流、b.空穴电流） 电子电流、b.空穴电流 空穴电流）9.2 PN 结 PN 结9.2.1 PN 结的形成 PN 结的形成P 型半导体 动画空间电荷区也称 PN 结少子的漂移运动内电场越强，漂移运 内电场越强， 动越强， 动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。 电荷区变薄。内电场 N 型半导体+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡， 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变

10、。 度固定不变。浓度差 形成空间电荷区多子的扩散运动 扩散的结果使 空间电荷区变宽。 空间电荷区变宽。9.2.2 PN 结的单向导电性 PN 结的单向导电性接正、 接负 1. PN 结加正向电压（正向偏置） P 接正、N 接负 结加正向电压（正向偏置） 接正PN 结变窄 + + + + + + + + + + + + + + + + + +动画P IF + 内电场 外电场N内电场被 削弱， 削弱，多子 的扩散加强， 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。 扩散电流。PN 结加正向电压时，PN 结变窄，正向电流较 结加正向电压时，PN 结变窄 结变窄， 正向电阻较小，PN 结处于导通状态 结处于导

11、通状态。 大，正向电阻较小，PN 结处于导通状态。P 接负、 2. PN 结加反向电压（反向偏置）接负、N 接正 结加反向电压（反向偏置） + + + + + + + + + + + + + + + + + +动画P内电场 外电场N+P 接负、 2. PN 结加反向电压（反向偏置）接负、N 接正 结加反向电压（反向偏置）PN 结变宽 + + + + + + + + + + + + + + + + + +动画PIR内电场 外电场N内电场被加 强，少子的漂 移加强， 移加强，由于 少子数量很少， 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。 向电流。+PN 结加反向电压时，PN 结变宽，反向电流较小，

12、结加反向电压时，PN 结变宽 反向电流较小， 结变宽， 反向电阻较大，PN 结处于截止状态 结处于截止状态。 反向电阻较大，PN 结处于截止状态。 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。9.3 半导体二极管9.3.1 基本结构(a) 点接触型 结面积小、 结面积小、 结电容小、 结电容小、正 向电流小。 向电流小。用 于检波和变频 等高频电路。 等高频电路。 (b)面接触型 (b)面接触型 结面积大、 结面积大、 正向电流大、 正向电流大、 结电容大， 结电容大，用 于工频大电流 整流电路。 整流电路。(c) 平面型 用于集成电路制作工艺

13、中。PN 结结面积可大可 用于集成电路制作工艺中。PN 结结面积可大可 用于高频整流和开关电路中。 小，用于高频整流和开关电路中。9.3 半导体二极管二极管的结构示意图金属触丝 N 型锗片 阳极引线 阴极引线 N 型硅 型硅 P 型硅 阳极引线 二氧化硅保护层( a) 点接触型铝合金小球 N 型硅外壳阴极引线阳极引线 PN 结 金锑合金 底座( c ) 平面型阳极D 阴极阴极引线( d) 符号( b) 面接触型 图 1 12 半导体二极管的结构和符号9.3.2 伏安特性特点：非线性 特点： 反向击穿 电压 U 电压 (BR) 反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。 常数。I正向特性 P +

14、N硅 0.60.8V 导通压降 锗 0.20.3V .20.3V U 硅管 0.5V, 硅管 0.5V, 死区电压 锗管 0.1V。 锗管 0.1V。 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。P+N反向特性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。9.3.3 主要参数1. 最大整流电流 IOM 二极管长期使用时， 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向 平均电流。 平均电流。 2. 反向工作峰值电压 URWM 反向工作峰值电压 U 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压， 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压

15、， 一般是二极管反向击穿电压 U 的一半或三分之二。 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。 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 反向峰值电流 I 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。 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， 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， 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。 锗管的反向电流较大，为硅管的几十

16、到几百倍。二极管的单向导电性 二极管的单向导电性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、 二极管处于正向导通状态， 极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正 向电阻较小，正向电流较大。 向电阻较小，正向电流较大。 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、 二极管处于反向截止状态， 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。 向电阻较大，反向电流很小。 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿， 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。 去单向导电性。 二极管的反向电流受温度的影响， 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度