半导体二极管和三极管

下一页总目录章目录返回上一页黑工程第1章半导体二极管和三极管1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3晶体三极管下一页总目录章目录返回上一页黑工程1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结的形成及其单向导电性1.1.4PN结的电容效应下一页总目录章目录返回上一页黑工程半导体的导电特性(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、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、光敏晶体管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强下一页总目录章目录返回上一页黑工程晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构价电子:共价键中的两个电子。SiSiSiSi价电子本征半导体是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。共价健1.本征半导体的结构1.1.1本征半导体下一页总目录章目录返回上一页黑工程2.本征半导体的导电机理1.1.1本征半导体下一页总目录章目录返回上一页黑工程2.本征半导体的导电机理1.1.1本征半导体下一页总目录章目录返回上一页黑工程SiSiSiSi这一现象称为本征激发。2.本征半导体的导电机理价电子在温度升高或受光照时获得一定能量后，可挣脱共价键的束缚，成为自由电子(带负电)。自由电子的产生使共价键中留有一个空位,称为空穴(带正电)。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。1.1.1本征半导体价电子下一页总目录章目录返回上一页黑工程SiSiSiSi价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2.本征半导体的导电机理1.1.1本征半导体自由电子自由电子和空穴都称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。下一页总目录章目录返回上一页黑工程注意：(1)本征半导体中的载流子数目极少,其导电性能很差。(2)温度对半导体器件性能影响很大。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,半导体中载流子便维持一定的数目。2.本征半导体的导电机理温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。1.1.1本征半导体下一页总目录章目录返回上一页黑工程当半导体两端加上外电压时，其将出现两部分电流(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2.本征半导体的导电机理1.1.1本征半导体自由电子和空穴同时参与导电是半导体导电和金属导电的本质区别。下一页总目录章目录返回上一页黑工程掺杂五价元素后自由电子数目大量增加，成为多数载流子，空穴是少数载流子。这种半导体主要靠自由电子导电,称N型半导体。1.1.2杂质半导体1.N型半导体杂质半导体:在本征半导体中掺入某种微量的杂质元素。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？下一页总目录章目录返回上一页黑工程N型半导体形成过程动画演示下一页总目录章目录返回上一页黑工程掺杂三价元素后空穴数目大量增加,成为多数载流子,自由电子是少数载流子。空穴导电成为这种半导体的主要导电方式,称为P型半导体。2.P型半导体1.1.2杂质半导体掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。电子比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？下一页总目录章目录返回上一页黑工程P型半导体的形成过程动画演示下一页总目录章目录返回上一页黑工程杂质半导体对外不显电性,是中性的。在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？1.1.2杂质半导体总结思考下一页总目录章目录返回上一页黑工程1.PN结的形成1.1.3PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有扩散运动。下一页总目录章目录返回上一页黑工程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,漂移使空间电荷区变薄－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。扩散的结果使空间电荷区变宽1.PN结的形成1.1.3PN结的形成及其单向导电性下一页总目录章目录返回上一页黑工程2.PN结的单向导电性（1）PN结加正向电压（正向偏置）1.1.3PN结的形成及其单向导电性下一页总目录章目录返回上一页黑工程PN结变窄外电场IFPN结加正向电压时,PN结变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用，形成扩散电流，正向电流较大,正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++（1）PN结加正向电压（正向偏置）正向电流+–R2.PN结的单向导电性1.1.3PN结的形成及其单向导电性下一页总目录章目录返回上一页黑工程（2）PN结加反向电压（反向偏置）2.PN结的单向导电性1.1.3PN结的形成及其单向导电性下一页总目录章目录返回上一页黑工程PN结变宽外电场IR反向电流将随温度增加。–+内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－（2）PN结加反向电压（反向偏置）RPN结加反向电压时,PN结变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电流。反向电流较小,反向电阻较大,处于截止状态。2.PN结的单向导电性1.1.3PN结的形成及其单向导电性下一页总目录章目录返回上一页黑工程1.1.4PN结的电容效应1.势垒电容PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。势垒电容示意图下一页总目录章目录返回上一页黑工程2.扩散电容PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！PN结结电容一般都很小（一般为几个pF～几十pF）扩散电容示意图1.1.4PN结的电容效应下一页总目录章目录返回上一页黑工程问题•为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？•为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？•为什么半导体器件有最高工作频率？下一页总目录章目录返回上一页黑工程2.2半导体二极管2.2.1半导体二极管的几种常见结构2.2.2二极管的伏安特性及电流方程2.2.4二极管基本电路及其分析方法2.2.3二极管的主要参数2.2.5稳压二极管下一页总目录章目录返回上一页黑工程2.2.1半导体二极管的几种常见结构将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。阴极阳极电路符号D小功率二极管稳压二极管大功率二极管发光二极管下一页总目录章目录返回上一页黑工程点接触型：结面积小，结电容小，允许的正向电流小，最高工作频率高。用于检波和变频等高频电路。2.2.1半导体二极管的几种常见结构二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类(1)点接触型二极管金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳点接触型结构示意图下一页总目录章目录返回上一页黑工程面接触型：结面积大，结电容大，允许的正向电流大，最高工作频率低。用于工频大电流整流电路。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的正向电流大。往往用于集成电路制造工艺中，或用于高频整流和开关电路中。2.2.1半导体二极管的几种常见结构阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅平面型结构示意图铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线面接触型结构示意图(3)平面型二极管(2)面接触型二极管下一页总目录章目录返回上一页黑工程材料开启电压Uon导通电压UF硅管0.5V0.6~0.8V锗管0.1V0.2~0.3V2.2.2二极管的伏安特性及电流方程Te,STUuIiUu则当正向电压)1e(TSUuIi)(ufi二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。+––+死区电压UON正向特性反向特性iu(2)近似呈现为指数曲线(1)有死区(i≈0的区域)1.正向特性(3)导通后（u大于死区电压后）u略有升高，i急剧增大。RIuDuiUT=kT/q下一页总目录章目录返回上一页黑工程材料反向饱和电流IS硅Si1µA以下锗Ge几十µA2.2.2二极管的伏安特性及电流方程RIuDui)1e(TSUuIi反向击穿电压U(BR)iu反向电流IR在一定电压范围内保持常数2.反向特性(2)当时，反向电流急剧增大，二极管发生反向击穿。反向电压大于U(BR),管子被击穿,失去单向导电性。电击穿二极管仍能正常工作，热击穿二极管永久性的损坏。下一页总目录章目录返回上一页黑工程3.伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移增大1倍/10℃2.2.2二极管的伏安特性及电流方程iu20℃80℃下一页总目录章目录返回上一页黑工程2.2.3二极管的主要参数•最大整流电流IF：最大平均值•最大反向工作电压UR：最大瞬时值•反向电流IR：即IS•最高工作频率fM：因PN结有电容效应下一页总目录章目录返回上一页黑工程2.2.4二极管基本电路及其分析方法iouiouFU理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IR＝0导通时UD＝UF截止时IR＝0iouONUFUonUDr导通时△i与△u成线性关系1.二极管电路的简化模型分析方法(1)二极管u-i特性的建模①理想模型②恒压降模型③折线模型下一页总目录章目录返回上一页黑工程oDuDiRiuDDiDuU当正向工作的二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用DuDidr常温下（T=300K）)mA()mV(261DDTddIIUgr2.2.4二极管基本电路及其分析方法1.二极管电路的简化模型分析方法(1)二极管u-i特性的建模④小信号模型ID△iD△uDUD小信号作用下一页总目录章目录返回上一页黑工程思考2如何判断二极管的导通与截止？2.2.4二极管基本电路及其分析方法思考1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阴或uD为负(反向偏置),二极管截止。二极管导通时应选用哪种等效电路？若仅有直流信号或交流大信号作用，或二者同时作用时信号明显大于(0.6~0.8V，0.2~0.3V)，选用理想模型或恒压降模型；信号和(硅管0.6~0.8V，锗管0.2~0.3V)可比拟，选用折线模型。若交流小信号、直流信号共同作用时采用叠加定理分析；直流信号单独作用时，同上；交流小信号单独作用时，采用小信号模型。下一页总目录章目录返回上一页黑工程RDDIDUCCUV0DUmA1/CCDRUI理想模型例1:已知R=10k时,分别求UCC=10V和UCC=1V的UD和ID。mA93.0/)(FCCDRUUI恒压模型V7.0DU（硅管典型值）RDDIDUCCURDIDUCCURDIDUCCUFU(2)模型分析法应用举例2.2.4二极管基本电路及其分析方法1.二极管电路的简化模型分析方法RDIDUCCUONUDr折线模型V5.0onU（硅管典型值）mA931.0DonCCDrRUUIk2.0Dr设V69.0dDonDr