1、第一章 常用半導(dǎo)體器件,第一章 常用 器件,半導(dǎo)體,金屬,惰性氣體,硅、鍺,4,4,=4,小,易,大,二者之間,不易,二者之間,半導(dǎo)體,1.1.1 本征半導(dǎo)體,1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體,無(wú)雜質(zhì),?,半導(dǎo)體硅和鍺的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。,結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過一定的工藝過程，可將其制成晶體。,即為本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖,形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,共用電子,常溫下價(jià)電子 很難脫離共價(jià)鍵 成為自由電子,導(dǎo)電能力很弱,+4,+4,+4,+4,熱和光的作用,自由電子,空穴,一些價(jià)電子獲得足夠的 能量而脫離共價(jià)鍵束縛,電子空穴對(duì),本征激發(fā),

2、（熱激發(fā)）,帶正電,帶負(fù)電,游離的部分自由電子 也可能回到空穴中去， 稱為復(fù)合,+4,+4,+4,+4,在其它力的作用下， 空穴吸引附近的電子 來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果 相當(dāng)于空穴的遷移。,空穴的遷移相當(dāng)于正 電荷的移動(dòng)，因此可 以認(rèn)為空穴是載流子。,本征半導(dǎo)體的兩種載流子,溫度越高，載流子的濃度越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素。這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。,本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。,在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。,1.1.2 雜質(zhì)

3、半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,磷原子,多余 電子,摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻）,取代，形成共價(jià)鍵,多出一個(gè)電子,磷原子成為不能移動(dòng) 的正離子,施主 原子,N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？,1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。,摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。,Negative,空位,硼原子,空穴,P 型半導(dǎo)體,摻入少量的三價(jià)元素硼（或銦）,取代，形成共價(jià)鍵,產(chǎn)生一個(gè)空位,吸引束縛電子來填補(bǔ),受主 原子,硼原子成為不能移動(dòng) 的負(fù)離子,空穴是多子，電子是少子,

4、Positive,(3)、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。,近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。,小結(jié),4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。 N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。,5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度、光強(qiáng)、雜質(zhì)濃度 和材料性質(zhì)有關(guān)。,1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。,2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由 電子和空穴對(duì)，故其有一定的導(dǎo)電能力。,3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定； 雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。,一、PN 結(jié)的形成,利用摻雜

5、工藝，將P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。,1.1.3 PN結(jié),N 型半導(dǎo)體,P 型半導(dǎo)體,PN結(jié),物質(zhì)因濃度差會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。,P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。,自由電子,空穴,空間電荷區(qū)， 也稱耗盡層。,擴(kuò)散的結(jié)果是產(chǎn)生空間電荷區(qū)。,內(nèi)電場(chǎng)E,+,-,在電場(chǎng)力作用下，載流子產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng),自由電子,空穴,最終擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng),內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移,內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散,總結(jié),因濃度差,由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

6、,達(dá)到平衡，空間電荷區(qū)寬度固定不變,二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)正向偏置,P,N,+,_,外加電源將使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)源源不斷的進(jìn)行，形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通,PN 結(jié)反向偏置,N,P,+,_,內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。PN結(jié)截止,R,E,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；,由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的 反向漂移電流， PN結(jié)截止。,總結(jié),三、PN結(jié)VCR方程,PN結(jié)兩端的外電壓u與流過PN結(jié)的電流i之間的關(guān)系,UT: 溫度電壓當(dāng)量， = kT/q，一般取值

7、為26mv； k為玻耳曼常數(shù) T為熱力學(xué)溫度 q為電子電荷量,IS：反向飽和電流,A,B,C,四、PN結(jié)的電容效應(yīng),1. 勢(shì)壘電容,PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容Cb。,2. 擴(kuò)散電容,PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散過程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。,結(jié)電容：,結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕?1.2 半導(dǎo)體二極管,陰極引線,陽(yáng)極引線,1.2.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型,按結(jié)構(gòu)分類,點(diǎn)接觸型,面接觸型,平面型,

8、(1) 點(diǎn)接觸型二極管,PN結(jié)面積小,不能通過較大的電流,結(jié)電容小,工作頻率高,適用于 高頻電路 和小功率整流,(2) 面接觸型二極管,PN結(jié)面積大,能通過較大的電流,結(jié)電容大,能在低頻下工作,一般僅作為 整流管使用,合金法,PN結(jié)面積可大可小,視結(jié)面積的大小 用于大功率整流 和開關(guān)電路中,二極管的電路符號(hào),陽(yáng)極,陰極,二端無(wú)源元件,(3) 平面型二極管,擴(kuò)散法,半導(dǎo)體二極管圖片,1.2.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線,二極管,近似分析時(shí)：,(1) 二極管和PN結(jié)伏安特性的區(qū)別,二極管存在半導(dǎo)體體電阻和引線電阻,二極管表面 漏電流,單向?qū)щ娦?幾點(diǎn)說明,二極管的正向特性,u0,0uUon,Uo

9、n,開啟電壓,正向電流為零,uUon,開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。,二極管的反向特性,u0,U(BR) u0,反向電流很小,u U(BR),反向電流急劇增加,反向 飽和電流,反向 擊穿電壓,基本不隨反向電壓的變化而變化,二極管發(fā)生擊穿,(2) 不同材料二極管伏安特性的區(qū)別,u/V,i,鍺材料,硅材料,硅材料PN結(jié)平衡時(shí)的耗盡層電勢(shì)比鍺材料的大,0.5,1.0,硅管0.60.8V,導(dǎo)通壓降,硅管0.1A,反向飽和電流,-10A,鍺管0.10.3V,鍺管 幾十A,(3) 溫度對(duì)二極管伏安特性的影響,u,i,80,20,正向區(qū)：溫度升高，曲線左移,反向區(qū)：溫度升高，曲線下移,1.2.3 半導(dǎo)

10、體二極管的參數(shù),二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。,二極管工作時(shí)允許外加的最大反向電壓,(1)最大整流電流 IF,與PN結(jié)結(jié)面積和散熱條件有關(guān),(2)最高反向工作電壓UR,通常為擊穿電壓U(BR)的一半,(3)反向電流IR,二極管未被擊穿時(shí)的反向電流,一般是指最大反向工作電壓下的反向電流值。,反向電流越小越好。,UR,1.2.4 二極管的等效電路,二極管是非線性器件，,由二極管構(gòu)成電路是非線性電路。,分析困難,用線性元件構(gòu)成的電路來近似模擬二極管的特性,二極管的等效電路,多種等效電路， 根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行選擇,反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。,rd =uD /iD,ID,U

11、D,uD,iD,rd與工作狀態(tài)有關(guān),二極管的 微變等效電路,Q2,Q1,1.微變等效電路,2.由伏安特性折線化得到的等效電路,正向壓降為0,反向電流為0,正向壓降為U,反向電流為0,直線斜率為1/rd,反向電流為0,U,U,U,rd,理想二極管,U,例1 電路如圖所示，試判斷二極管是導(dǎo)通還是 截止，并求出AO兩端電壓UAO, 設(shè)二極管是理想的。,解：,假設(shè)不成立，所以D導(dǎo)通，,相當(dāng)于導(dǎo)線，,UAO= - 6V,B,C,VB=-6V,VC=-12V,假設(shè)二極管不導(dǎo)通,例2 電路如圖所示，試判斷二極管是導(dǎo)通還是截 止，并求出AO兩端電壓UAO, 設(shè)二極管是理想的。,解：,D1導(dǎo)通，,短路,D2截止

12、，,斷路,UAO= 0V,假設(shè)二極管不導(dǎo)通,VB=-12V,B,C,VC=-15V,D,VD=0V,例3 電路如圖所示，設(shè)ui=6sint V，試?yán)L出輸出電壓uo 的波形，設(shè)D為理想二極管。,解：,ui3V,D截止,uo=ui,ui3V,D導(dǎo)通,uo=3V,單向限幅,A,B,假設(shè)二極管不導(dǎo)通,VA=3V,VB= ui,例4 電路如圖所示，設(shè)ui=6sint V，試?yán)L出輸出電壓 uo的波形，設(shè)D為理想二極管。,解：,ui 3V,D1導(dǎo)通、,D2截止,uo=3V,ui-2V,D1截止 、,D2導(dǎo)通,uo=-2V,ui3V,-2V,D1截止,D2截止,uo=ui,雙向限幅,A,B,C,VA=3V,V

13、B=-2V,VC= ui,練習(xí) 二極管開關(guān)電路如圖所示，求輸出電壓VO的值。設(shè) D為硅二極管，導(dǎo)通壓降為0.7V。,解：,D1導(dǎo)通，,D2截止，,VO=0.7,+0,=0.7V,共陽(yáng)極，陰極誰(shuí)低誰(shuí)導(dǎo)通,共陰極，陽(yáng)極誰(shuí)低誰(shuí)導(dǎo)通,例6 電路如圖所示，設(shè)ui=6sint V，試?yán)L出輸出電壓 uo的波形，設(shè)D為硅二極管，導(dǎo)通壓降為0.7V。,解：,ui3.7V,D截止,uo=ui,ui3.7V,D導(dǎo)通,uo=3.7V,VA= ui,VB=3.7V,例7 電路如圖所示，設(shè)ui=6sint V，試?yán)L出輸出電壓 uo的波形，設(shè)D為硅二極管，開啟電壓Uon=0.5V，電阻 rd=200。,解：,ui3.5V,

14、D截止,uo=ui,ui3.5V,D導(dǎo)通,uo=,0.5,+3,ui,-0.5,-3,800,+200,200,=0.2ui +2.8,B,A,VA= ui,VB=3.5V,1.2.5 穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管是硅材料制成的面接觸型晶體二極管。,u,i,曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。,UZ,1、穩(wěn)壓管的伏安特性,uUZ時(shí)作用同二極管,u增加到UZ 時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿,(a),2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù),規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。,(1)穩(wěn)定電壓 UZ,穩(wěn)壓管低于此值穩(wěn)壓情況變壞，常記作IZmin,(2)穩(wěn)定電流 IZ,工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí)，端電壓變化量與其電流變化量之比,(3)動(dòng)態(tài)電阻rZ,rZ =UZ /IZ,(4)額定功耗PZM,PZM= UZ IZmax,最大穩(wěn)定電流,(5)溫度系數(shù),表示溫度每變化1穩(wěn)壓值的變化量,例1 電路如圖所示，設(shè)ui=6sint V，試?yán)L出輸出電壓uo的波形。設(shè)DZ為硅穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)定電壓為5V, 正向?qū)▔航岛雎圆挥?jì)。,解：,ui-3V,D導(dǎo)通,uo= -3V,ui-3V,D截止,uo= ui,2V,2Vui,D反向擊穿,uo= 2V,A,B,VB= ui,VA= -3V,例2 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電UZ=6V,