电子技术基础及实验

2019年8月5日12019年8月5日2电工与电子技术（6）退出第一帮助回退前进开始最后返回主菜单第六章半导体二极管及其应用§6.1半导体的基本知识§6.2ＰＮ结及半导体二极管§6.3整流滤波电路2019年8月5日3第六章半导体二极管及其应用内容提要：本章介绍半导体的基本知识、PN结的形成、二极管的结构和工作原理以及整流滤波电路的结构和工作原理等。重点：二极管的工作原理以及整流滤波电路的结构和工作原理退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日4§6.1半导体的基本知识一、导体、绝缘体和半导体１、导体：容易导电的物体。例：铜、铝、银、铁等。２、绝缘体：几乎不导电的物体。例：橡胶、陶瓷等。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日5３、半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，且随外界条件而显著变化的物体。例：锗、硅、砷化镓等。特点：导电能力受光照、温度和掺杂的影响而发生显著的变化。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日6二、半导体的原子结构１、半导体的原子结构半导体材料主要是锗和硅，其原子结构如下图所示：退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日7半导体的原子结构电子原子核原子核电子退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日8简化模形锗和硅都有４个价电子价电子惯性核退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日9简化模形锗和硅都有４个价电子价电子退出第一帮助回退前进开始最后返回惯性核2019年8月5日10简化模形锗和硅都有４个价电子价电子惯性核退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日11简化模形锗和硅都有４个价电子价电子惯性核退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日122.共价键结构半导体材料制成晶体后形成共价键结构。共价键结构:每个原子的四个价电子不仅受本原子的作用力，而且还分别受相邻四个原子的作用力，使价电子在两个相邻原子的公共轨道上运动。（电子的共有化运动）退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日13锗和硅的共价键结构共价键惯性核共价键惯性核退出第一帮助回退前进开始最后返回价电子价电子价电子价电子2019年8月5日14束缚电子：共价键内的两个电子。自由电子：获得能量后脱离了共价键的电子。Ｔ＝０Ｋ时半导体中没有自由电子。Ｔ＝３００Ｋ（常温）时半导体中有少量的自由电子。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日15三、本征半导体１、本征半导体非常纯净（纯度达99.99999％以上）、结构完整的半导体称为本征半导体。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日16退出第一帮助回退前进开始最后返回本征半导体2019年8月5日17２、本征激发半导体受热和光照时，一些束缚电子获得能量脱离共价键而成为自由电子，并在共价键中产生一些空穴，这种现象称为本征激发。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日18退出第一帮助回退前进开始最后返回本征激发2019年8月5日19自由电子空穴退出第一帮助回退前进开始最后返回本征激发2019年8月5日20空穴：虚拟的带一个电子电量的正电荷，可参与导电（载流子），空穴导电实际上是束缚电子依次填补空穴而形成的运动，可将其视为空穴的运动。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日21半导体中的两种载流子：自由电子和空穴。自由电子─空穴对：本征激发产生的自由电子和空穴成对出现，数量一样多。退出第一帮助回退前进开始最后返回复合：自由电子和空穴相遇时恢复共价键，自由电子─空穴对消失。2019年8月5日22自由电子空穴退出第一帮助回退前进开始最后返回复合2019年8月5日23自由电子空穴退出第一帮助回退前进开始最后返回复合2019年8月5日24退出第一帮助回退前进开始最后返回复合2019年8月5日25在一定温度下，本征激发和复合达到动态平衡，本征载流子浓度保持一定数值。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日26本征载流子浓度：Ni（Ｔ）＝Pi（Ｔ）＝AT（3/2）e(-Eq/2KT）Ｔ＝300Ｋ时硅:Ni＝Pi＝1.4×1010/cm3硅原子浓度：4.96×1022/cm3退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日27半导体的导电能力随温度的升高而显著增加。硅:Ｔ每升高８度，Ni增大１倍锗:Ｔ每升高12度，Ni增大１倍退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日28四、杂质半导体掺有其它元素的半导体，叫做杂质半导体，掺杂后半导体的导电性能大大提高。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日29１、Ｎ型半导体（电子型）在硅晶体中掺入少量五价元素磷─施主元素，在组成共价键时，每个磷原子就多出一个价电子，不受共价键束缚而成为自由电子，这个磷原子则成为正离子（不能移动）。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日30Ｎ型半导体中自由电子数目远大于空穴数目，成为多数载流子，而空穴为少数载流子，主要是自由电子导电。Ｎ型半导体结构自由电子退出第一帮助回退前进开始最后返回SiP2019年8月5日31２、Ｐ型半导体（空穴型）在硅晶体中掺入少量三价元素硼──受主元素，在组成共价键时，每个硼原子将少一个价电子而形成一个空穴（载流子），硼原子则成为负离子（不能移动）。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日32Ｐ型半导体结构空穴退出第一帮助回退前进开始最后返回SiＰ型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要是空穴导电。2019年8月5日33Ｎ型和Ｐ型半导体的导电性能随掺杂浓度而变，但整体仍呈电中性。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日34§6.2ＰＮ结及半导体二极管一、ＰＮ结的形成在一块本征半导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为Ｐ型，另一边成为Ｎ型，在Ｐ区和Ｎ区的交界面处就形成了一个ＰＮ结。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日35N区多子P区多子P区N区施主正离子受主负离子N区少子P区少子PN结的形成退出第一帮助回退前进开始最后返回扩散运动：由于载流子浓度差的存在，Ｐ型区空穴（多子）向Ｎ型区扩散，Ｎ型区电子（多子）向Ｐ型区扩散。2019年8月5日36N区多子P区多子P区N区施主正离子受主负离子N区少子P区少子空间电荷区PN结的形成退出第一帮助回退前进开始最后返回扩散运动：由于载流子浓度差的存在，Ｐ型区空穴（多子）向Ｎ型区扩散，Ｎ型区电子（多子）向Ｐ型区扩散。2019年8月5日37扩散运动使Ｐ区失去空穴，留下负离子，Ｎ区失去电子，留下正离子，形成一个很薄的空间电荷区（ＰＮ结）P区N区PN结空间电荷区PN结的形成退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日38漂移运动：空间电荷区的正负离子间形成了一个内电场，从Ｎ区指向Ｐ区，对扩散运动起阻碍作用，同时，该电场使Ｐ区电子（少子）向Ｎ区漂移，Ｎ区空穴（少子）向Ｐ区漂移，漂移运动使空间电荷减少，空间电荷区变窄。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日39扩散运动使空间电荷区变宽，内电场增强，扩散阻力增大，漂移运动增强，而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，扩散运动增强，当达到动态平衡时，空间电荷区的宽度一定。ＰＮ结的宽度一般为0.5um退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日40二、ＰＮ结的单向导电性１、ＰＮ结加正向电压（正向偏置）PN结If内电场外电场退出第一帮助回退前进开始最后返回E2019年8月5日41ＰＮ结正偏时，两边的多子被推向ＰＮ结，空间电荷区变窄，内电场减弱，扩散运动加强，漂移运动减弱，形成较大的正向电流If，且随外加电压而变化。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日42２、ＰＮ结加反向电压（反向偏置）IR内电场外电场PN结退出第一帮助回退前进开始最后返回E2019年8月5日43ＰＮ结反偏时，两边的多子被拉离ＰＮ结，空间电荷区变宽，内电场增强，扩散运动减弱，漂移运动增强，形成很小的漂移电流IR（反向电流），电压增高时，电流增加不大（少子数量有限）。ＰＮ结具有单向导电性（正向电阻小，反向电阻大）。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日44三、半导体二极管的结构二极管由一个ＰＮ结，加上接触电极，引线和管壳构成。三种结构：点接触型面接触型平面型退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日45退出第一帮助回退前进开始最后返回1.点接触型二极管的结构外壳阳极引线金属触丝N型锗片阴极引线PN结2019年8月5日46阳极引线阴极引线底座金锑合金合金小球N型硅退出第一帮助回退前进开始最后返回2.面接触型二极管的结构PN结2019年8月5日473.平面型二极管的结构退出第一帮助回退前进开始最后返回阴极引线阳极引线二氧化硅保护层N型硅P型硅PN结主菜单2019年8月5日48二极管的符号：退出第一帮助回退前进开始最后返回+-2019年8月5日49四、二极管的伏安特性二极管的伏安特性：流过二极管的电流Ｉ与二极管两端电压Ｕ的关系。伏安特性表达式:I=IR0（equ/kT-1)退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日50伏安特性曲线:ＯＡ段为正向特性（正偏）ＯＢ段为反向特性（反偏）退出第一帮助回退前进开始最后返回OBA(uA)2019年8月5日51二极管的伏安特性曲线１、正向特性（ＯＡ段）退出第一帮助回退前进开始最后返回OBA(uA)CUp2019年8月5日52①起始部分：正向电压较小时，外电场不足以克服内电场，正向电流几乎为０(电阻较大)，当电压增至Ｕｐ时，正向电流才开始增加。②非线性部分：接近起始部分电流较小，Ｉ随Ｕ按指数规律缓慢增加。③线性部分：当电流较大时，Ｉ与Ｕ近似成线性关系。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日53２、反向特性（ＯＢ段）①反向电流很小硅管0.1uＡ锗管约几百ｕＡ②在一定范围内，反向电流基本不随电压而变化。③反向电流对温度和光照很敏感。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日54３、反向击穿特性（ＢＣ段）当反向电压超过ＵＢ时，反向电流剧增（ＰＮ结击穿）。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日55ＰＮ结的击穿:１、反向击穿：反向电压增大到一定数值时，ＰＮ结的反向电流突然增加，这个现象称为ＰＮ结的反向击穿。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日562、热击穿:ＰＮ结的温度上升到一定值时，过热烧毁。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日57五、二极管的主要参数１、最大整流电流IDM：长期工作时允许通过的最大正向平均电流。２、反向击穿电压UBR：ＰＮ结击穿时的临界电压。３、最高反向工作电压URM：安全工作所允许的反向电压。４、反向电流IR：未击穿时的反向电流。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日58５、直流电阻ＲＤ：工作点Ｑ的电压与电流的比值UDＲＤ=————ID退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日59退出第一帮助回退前进开始最后返回OBA(uA)CUpUDIDUDＲＤ=————IDQ2019年8月5日60对于不同的工作点，ＲＤ不是常数。正向ＲＤ一般为几十至几百欧姆，反向ＲＤ为几十Ｋ至几百Ｋ，用万用表测量二极管的正向电阻时用ＲＸ１、ＲＸ１０、ＲＸ１００、ＲＸ１Ｋ档分别测出的ＲＤ数值不同。退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日61６、交流电阻（微变电阻）rD：工作点Ｑ附近电压微变量与电流微变量之比。△UDＲＤ=————△ID正向rD几至几十欧姆反向rD几百千欧姆以上退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日62７、极间电容C①结电容（势垒电容）CB：ＰＮ结的空间电荷数量随外加电压而变化所形成的充放电效应。②扩散电容CD：载流子浓度差形成的电容。极间电容Ｃ＝结电容CB＋扩散电容CD退出第一帮助回退前进开始最后返回退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日63８、最高工作频率fdm：正常使用的频率上限。超过fdm，将失去单向导电性。退出第一帮助回退前进开始最后返回退出第一帮助回退前进开始最后返回2019年8月5日64六、特