第1章-半导体二极管和三极管-2.ppt

第1章半导体二极管和三极管1.理解PN结的单向导电性。2.了解半导体二极管的基本类型、伏安特性和主要参数，了解二极管的整流作用、钳位作用和限幅作用。3.了解稳压二极管的主要特性及其稳压作用。4.了解双极型晶体管的基本类型、特性曲线和主要参数，理解晶体管的三种工作状态。基本要求：1半导体的导电特性第1章电路的基本概念和基本定律半导体二极管2半导体三极管4稳压二极管31.半导体的导电特性1.物质的导电性自然界中的物质按照导电能力可分为导体、绝缘体与半导体。导体：导电能力良好的物体，如银、铜、铁等。绝缘体：不能导电或导电能力很差的物体，如橡胶、陶瓷、玻璃、塑料等。半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。1.半导体的导电特性典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。sisi硅原子Ge锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。内层电子和原子核合在一起称为惯性核。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1.半导体的导电特性2.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。SiSiSiSi晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价键中的两个电子，称为价电子。1.半导体的导电特性本征半导体的导电机理SiSiSiSi价电子空穴自由电子价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，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）。本征激发：温度愈高，晶体中产生的自由电子、空穴愈多。1.半导体的导电特性(5)当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移运动），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空穴电流结论：(1)半导体有两种载流子:（负）电子、（正）空穴。(2)自由电子和空穴成对地产生，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。(3)载流子的数量少，故导电性能很差。(4)载流子的数量受温度影响较大，温度高数量就多。所以，温度对半导体器件性能影响很大。1.半导体的导电特性1.半导体的导电特性3.杂质半导体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。SiSiSiSi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p+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.半导体的导电特性SiSiSiSiB–硼原子接受一个电子变为负离子空穴因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。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。掺入三价元素无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。1.半导体的导电特性(1)N型半导体（电子型半导体）形成：向本征半导体中掺入少量的5价元素特点：（a）含有大量的电子——多数载流子（b）含有少量的空穴——少数载流子(2)P型半导体（空穴型半导体）形成：向本征半导体中掺入少量的3价元素特点：（a）含有大量的空穴——多数载流子（b）含有少量的电子——少数载流子1.半导体的导电特性1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。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）。abc4.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）ba思考题：++++++++－－－－－－－－1.半导体的导电特性4PN结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。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－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++1.半导体的导电特性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PN结正偏PN结正向导通外电场与内电场方向相反利于扩散PN结变窄产生较大的扩散电流I正扩散漂移外部电源不断提供电荷1.半导体的导电特性（2）PN结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正PN结反偏PN结反向截止外电场与内电场方向相同利于漂移漂移扩散PN结变厚产生较小的反向电流I反1.半导体的导电特性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。结论PN结具有单向导电性。2.半导体二极管1基本结构PN阳极阴极两层半导体一个PN结按PN结分点接触型面接触型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型2.半导体二极管(1)点接触型(2)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、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。按材料分硅管锗管按用途分普通管整流管……2.半导体二极管2伏安特性二极管电流与电压之间的关系UIOAABB硅锗半导体二极管的伏安特性正向：死区（OA段）:硅管约0.5V，锗管约0.2V；正向导通区:硅管约0.7V，锗管约0.3V温度增加，曲线左移反向：截止区（OB段）:I近似为0；击穿区:管子被击穿温度增加，曲线下移2.半导体二极管2伏安特性二极管电流与电压之间的关系UIOAABB硅锗半导体二极管的伏安特性UIOUDUIO(a)近似特性(b)理想特性2.半导体二极管3主要参数(1)IOM：最大整流电流(2)UR：最高反向工作电压(4)IRm：最大反向电流二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。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。指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流越小，说明管子的单向导电性越好。2.半导体二极管4二极管的单向导电性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。2.半导体二极管5选择二极管的一般原则1.要求导通后正向压降小时选锗管，要求反向电流小时选硅管。2.要求工作电流大时选面接触型，要求工作频率高时选点接触型。3.要求反向击穿电压高时选硅管。4.要求温度特性好时选硅管。2.半导体二极管二极管电路分析：先判断二极管的工作状态导通截止整流、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。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，二极管导通若V阳V阴或UD为负，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时管压降为零，反向截止时相当于开路。否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V6二极管的主要应用2.半导体二极管分析输出电压和二极管上电压的波形。假设二极管为理想二极管。–++–aTrDuou2bRLio+–u1tuDOuoOtu2tOU2U2U2u2正半周，VaVb，D导通，uo=u2；u2负半周，VaVb，D截止，uo=0。二极管起整流作用2.半导体二极管电路如图，求：UABD6V12V3kBAUAB+–V阳=－6VV阴=－12VV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－6.3Ｖ或－6.7V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。二极管起钳位作用2.半导体二极管求：UABBD16V12V3kAD2UAB+–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=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2UD1∴D2优先导通，钳位，使D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0V流过D2的电流为mA43122DID1承受反向电压为－6V2.半导体二极管当VA=3V，VB=0V时，分析输出端的电位VY。+6VRDAVAVBVYDB-6VRDAVAVBVYDB理想二极管：VY=VB=0V∵UDBUDA∴DB优先导通，DA截止。锗二极管：VY=VB+UD=0.3V硅二极管：VY=VB+UD=0.7V∵UDAUDB∴DA优先导通，DB截止。理想二极管：VY=VA=3V锗二极管：VY=VA-UD=2.7V硅二极管：VY=VA–UD=2.3V2.半导体二极管当Us分别为2V、4V，而ui分别为3V、3sinωtV时，试画出uo的波形。3.稳压二极管1符号_+2伏安特性UZIZIZMUZIZUIO稳压管正常工作时加反向电压稳压管反向击穿后，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。使用时要加限流电阻3.稳压二极管3主要参数(1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(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。(3)动态电阻ZZZIUrrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。(4)稳定电流IZ指稳压管工作在稳压状态的参考电流。3.稳压二极管4稳压管稳压电路(1)稳电管正向偏置时，相当于一个普通二极管正向偏置的情况。(2)稳压管反向偏置时当外加反向电压小于稳压管的稳定电压时，稳压管截止，可视为开路。当外加反向电压大于或等于稳压管的稳定电压，并且流过稳压管的电流满足一定要求时，稳压管稳压。3.稳压二极管稳压二极管的稳定电压UZ=5V，正向压降忽略不计。当输入电压Ui分别为直流10V、3V、-5V时，求输出电压UO；若ui=10sinωtV，试画出uo的波形。DZRuoui++––Ui=10V：DZ工作在反向击穿区，稳压，UO=UZ=5VUi=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi=-5V：DZ工作在正向导通状态，UO=0V3.稳压二极管ui=10sinωtV：ui正半周，当uiUZ，DZ反向击穿，uO=5V当uiUZ，DZ反向截止，uO=uiui负半周，DZ正向导通，uO=0Vuit10V5V4.半导体三极管1基本结构基极发射极集电极NPN型BECPNP型PPN基极发射极集电极NNP符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管4.半导体三极管结构特点：基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结：面积大BECNNP基极发射极集电极集电区：面积最大4.半导体三极管2工作状态（1）晶体管中电流的分配三极管放大的外部条件:BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP：VCVBVE从电位的角度看：NPN：VCVBVE4.半导体三极管各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05结论:①三电极电流关系：IE=IB+IC②ICIB，ICIE③ICIB把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。4.半导体三