单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,/93,*,第,14,章 半导体器件,14.3 二极管,14.4 稳压二极管,14.5 双极型晶体管,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,第14章 半导体器件14.3 二极管14.4 稳压二,1,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。,对于元器件，学习重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不过于追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,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。工程上允许一定的误差，可采用合理估算的方法。,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况,2,所谓,半导体,，就是它的导电能力介于,导体,和,绝缘体,之间。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。,14.1 半导体的导电特性,所谓半导体，就是它的导电能力介于导体和绝缘体之间。如硅、锗、,3,14.1 半导体的导电特性,很多半导体的导电能力在不同条件下有很大的差别：,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、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,(如镉、铅等的硫化物与硒化物，,可做成各种光敏元件,如光敏电阻、,光敏二极管、光敏晶体管等)。,热敏性：,当环境温度升高时，导电能力显著增强,(如钴、锰、镍等的氧化物，,可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,14.1 半导体的导电特性很多半导体的导电能力在不同条件下,4,用和最多的半导体是锗和硅。,图14.1.1所示是锗和硅的原子结构图，它们各有四个价电子，都是四阶元素。,将锗或硅材料提纯并形成单晶体后，所有原子便基本上整齐排列，其立体结构图与平面示意图分别如图14.1.2和图14.1.3所示。,半导体一般都具有这种晶体结构，所以半导体也称为晶体，这就晶体管名称的由来。,14.1.1,本征半导体,用和最多的半导体是锗和硅。14.1.1 本征半导体,5,14.1.1,本征半导体,完全纯净的、晶格完整的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价键结构,共价健,共价键中的两个电子，称为,价电子,。,价电子,14.1.1 本征半导体 完全纯净的、晶格完整的半导,6,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）,。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,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)。,空穴,价电子 价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后,7,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：,(1),自由电子作定向运动,电子电流,(2),价电子递补空穴,空穴电流,注意：,(1)本征半导体中的载流子数目极少,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,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。,自由电子和,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，半导体中的载流子便维持一定的数目。,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,8,14.1.2 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。,P,+,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体 掺杂后,9,14.1.2 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。,B,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。,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体 掺杂后,10,练习与思考,14.1.1,14.1.2,14.1.3,练习与思考14.1.1,11,14.2 PN,结及其单向导电性,14.2.1,PN,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,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,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,14.2 PN结及其单向导电性14.2.1 PN结的形成,12,14.2.2 PN结的单向导电性,1.PN 结加正向电压,(正向偏置),P接正、N接负,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 结变窄,外电场,I,F,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,U,14.2.2 PN结的单向导电性 1.PN 结加,13,2.PN 结加反向电压,(反向偏置),外电场,P接负、N接正,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,U,2.PN 结加反向电压(反向偏置)外电场 P接负、N接,14,PN 结变宽,2.PN 结加反向电压,(反向偏置),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。,I,R,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大。,PN 结加反向电压时，,PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,U,PN 结变宽2.PN 结加反向电压(反向偏置)外电场,15,此即为PN结的单向导电性，PN结是各种半导体器件的共同基础。,此即为PN结的单向导电性，PN结是各种半导体器件的共同基础。,16,14.3 二极管,14.3.1 基本结构,(a)点接触型,结面积小、结电容小、,因此通过的正向电流小，但其高频性能好，故适用于高频和小功率工作，也用作数字电路中的开关元件。,将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管。,14.3 二极管14.3.1 基本结构(a)点接触型,17,14.3 二极管,(c)平面型,14.3.1 基本结构,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。,阳极,阴极,D,(d)符号,结面积大、结电容大、正向电流大，适用于低频整流电路。,(b)面接触型,14.3 二极管(c)平面型14.3.1 基本结构,18,电工学电子技术半导体器件第一部分分解ppt课件,19,14.3.2 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,二极管既然是一个,PN结，,它当然具有单向导电性,特点：非线性,硅管0,.60.8V,锗管0,.20.3V,死区电压,P,N,+,P,N,+,反向电流在,一定电压范围,内保持常数。,14.3.2 伏安特性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿导通,20,14.3.3 主要参数,1.,最大整流电流,I,OM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,当电流超过允许值时，将,由于PN结过热,而使管子损坏。,2.,反向工作峰值电压,U,RWM,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,U,BR,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。,14.3.3 主要参数1.最大整流电流 IOM 二极管长,21,3.,反向峰值电流,I,RM,指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。,反向电流大，说明管子的单向导电性差，,I,RM,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。,14.3.3 主要参数,3.反向峰值电流IRM 指二极管加反向工作峰值电压时的反向,22,二极管,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。,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。,二极管的单向导电性 1.二极管加正向电压(正向偏置，,23,分析方法：,将二极管断开。,若,V,阳,V,阴,，则二极管导通；,若,V,阳,V阴，则二极管导通；,24,u,I,8V，二极管导通，可看作短路，,u,O,=8V,u,I,8V，二极管导通，可看作短路，uO=8V,25,t,u,O,O,2.二极管的检波作用,t,u,R,O,解：,解：,二极管起检波作用，除去正尖脉冲。,tuOO2.二极管的检波作用tuRO 解：解：二极管,26,V,A,V,B,D,A,优,先导通，,使,V,Y,=3V。,V,B,VB,DA优先导通，VB VY，DB截,27,练习与思考,14.3.1-14.3.6,14.3.7-14.3.10,练习与思考14.3.1-14.3.6,28,14.4 稳压二极管,1.符号和外形图,+,稳压二极管正常工作时加反向电压。,稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压二极管。,14.4 稳压二极管1.符号和外形图,29,14.4 稳压二极管,U,Z,I,Z,I,ZM,U,Z,I,Z,2.伏安特性,使用时要加限流电阻,O,稳定电压,U,Z,最大电流,工作电流,稳压二极管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,稳压二极管的伏安特性曲线与普通二极管的类似，其差异是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。,但是，如果反向电流超过允许范围，,稳压二极管将会发生热击穿而损坏。,14.4 稳压二极管UZIZIZMUZIZ2.伏,30,稳压二极管,稳压二极管,31,3.主要参数,(1),稳定电压,U,Z,稳压二极管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,手册中所列的都是在一定条件（工作电流、温度）下的数值，即使是同一型号的稳压二极管，由于工艺方面和其他原因，稳压值也有一定的分散性。,例如2CW59稳压二极管的稳压值为1011.8V。这就是说，如果把一个2CW59稳压二极管接到电路中，它可能稳压在10.5V；再换一个2CW59稳压二极管，则可能稳压在11.8V。,3.主要参数(1)稳定电压UZ,32,3.主要参数,(2),电压温度系数,u,环境温度每变化1,C引起,稳压值变化的,百分数,。,这是说明稳压值受温度变化影响的系数。,例如2CW59稳压二极管的电压温度系数是0.095%/C，就是说温度每增加1,C，它的稳压值将升高0.095%，假如在20C时的稳压值是11V，那么在50C时的稳压值将是,3.主要参数(2)电压温度系数 u,33,一般来说，低于6