半导体二极管和三极管1PPT

2020/2/81第1章半导体二极管和三极管1.3稳压二极管1.4半导体三极管1.2半导体二极管1.1半导体的导电特性2020/2/82第1章半导体二极管和三极管教学要求：1.理解二极管的单向导电性2.掌握二极管电路分析方法3.掌握三极管放大的条件及电流分配关系2020/2/831.本征半导体2.N型半导体和P型半导体3.PN结的形成4.PN结的单向导电性半导体的特性1.1半导体的导电特性2020/2/84半导体二极管图片1.2半导体二极管2020/2/851.2半导体二极管2020/2/861.2半导体二极管2020/2/87(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a1.2半导体二极管P区N区加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；称二极管导通。加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流；称二极管截止。二极管的单向导电性二极管就是PN结加上封装和引线构成的P型半导体N型半导体2020/2/881.1半导体的导电特性在物理学中根据材料的导电能力，可以划分为导体、绝缘体和半导体。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。导电能力介于导体与绝缘体之间的物体半导体：典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。2020/2/89(可做成温度传感器，如热敏电阻)掺杂性：掺入某种微量杂质，导电能力明显改变光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(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）(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)。1.1半导体的导电特性半导体的特性：2020/2/8101.本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体，称为本征半导体。单晶硅中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。价电子制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。SiSiSiSi1.1半导体的导电特性价电子决定导电性能2020/2/811在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚，不会成为自由电子晶体中原子的排列方式1.1半导体的导电特性因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。自由电子浓度决定导电能力2020/2/812SiSiSiSi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）本征半导体的导电机理1）本征激发（热激发）空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子1.1半导体的导电特性同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。复合：自由电子填补空穴同时消失的过程激发与复合动态平衡2020/2/8132）两种载流子当半导体两端加上外电压时，两部分电流:注意：自由电子和空穴都称为载流子•自由电子作定向运动电子电流•价(束缚）电子填补空穴空穴电流•本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差•温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能愈好1.1半导体的导电特性虚拟出来的2020/2/814SiSiSiSi2.N型半导体和P型半导体掺杂后,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子型半导体或N型半导体。掺入五价元素p+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。N型半导体:自由电子--多(数载流)子空穴--少(数载流)子1.1半导体的导电特性+++++++++2020/2/815SiSiSiSi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。空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴型半导体或P型半导体。掺入三价元素B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴本征半导体和杂质半导体都是中性的，对外不带电P型半导体:空穴--多子自由电子--少子1.1半导体的导电特性－－－－－－－－－2020/2/8163.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PN结形成－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－1.1半导体的导电特性2020/2/817－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++－－－－－－4.PN结的单向导电性加正向电压（正向偏置）空间电荷区变窄P接正、N接负IFPN结加正向电压时，正向电流较大，正向电阻较小，称PN结处于导通状态。内电场外电场内电场多子扩散加强大的扩散电流P区N区1.1半导体的导电特性+–R2020/2/818－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++－－－－－－空间电荷区变宽加反向电压（反向偏置）IRP接负、N接正温度对反向电流影响很大–+PN结加反向电压时，反向电流较小，反向电阻较大，称PN结处于截止状态。P区N区内电场外电场内电场阻止扩散、促进少子漂移很小的漂移电流1.1半导体的导电特性2020/2/8191.2半导体二极管1.二极管的分类2.伏安特性3.二极管电路分析举例2020/2/8201.2半导体二极管在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图1.二极管的分类2020/2/821平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a1.2半导体二极管P区N区2020/2/822半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。1.2半导体二极管p.2202020/2/823半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B1.2半导体二极管2020/2/8242.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才能导通。电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数(很小）1.2半导体二极管2020/2/8253.二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止若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1.2半导体二极管正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V理想二极管正向导通时正向管压降为零反向截止时相当于断开。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。分析方法：理想开关2020/2/826例1整流电路,画出vO的波形（a）电路图1.2半导体二极管tvstvovs0,D导通，vo=vsvs0,D截止，vo=0半波整流波形2020/2/827例2.单相桥式整流电路u正半周，VaVb，二极管D1、D3导通，D2、D4截止。－uotRLuiouo1234ab+–+–－utU2U2u负半周，VbVa，二极管D2、D4导通，D1、D3截止。－+全波整流波形2020/2/828电路如图，求：UABV阳V阴二极管导通例3：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D6V12V3kBAUAB+–1.2半导体二极管－6V－12V若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V若给定管压降为0.7V2020/2/829ui8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo波形。Vsin18itu8V例4：二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。uit18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––1.2半导体二极管2020/2/830要点回顾:•半导体半导体特性：热敏性、光敏性、掺杂性本征半导体杂质半导体本征激发N型半导体：P型半导体：电子空穴•PN结形成导电能力很弱自由电子空穴对两种载流子+++++++++－－－－－－－－－•PN结单向导电性正向导通、反向截止PN2020/2/831要点回顾:•二极管的伏安特性UI•二极管电路的分析方法断开，分析阴极和阳极的电位硅管0.5V锗管0.1V导通压降硅0.7V锗0.3V死区电压PN–+反向击穿电压U(BR)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2020/2/832a1a2VD1VD2b2b1＋5V5.1kuo(a)＋1V0a1a2Ua1b1＝4Vb2b1＋5V5.1kuo(b)Ua2b2＝5V＋1V01.2半导体二极管VD2导通后，uo=0，VD1截止2020/2/8331.3稳压二极管1.稳压二极管2.稳压电路3.主要参数光电子器件2020/2/8341.3稳压二极管UZ稳定电压IZ稳定电流IZM最大稳定电流UZIZ伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此稳定电压特性，做成稳压管_+UIO1.稳压二极管符号2020/2/8352.稳压电路+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时VO=VZ1.3稳压二极管UIOIZIZMUZ2020/2/836光电子器件光电二极管（a）符号（b）电路模型（c）特性曲线反向偏置2020/2/837光电子器件发光二极管符号光电传输系统2020/2/8381.4半导体三极管（BJT）1.基本结构2.电流分配和放大原理3.三极管的三种组态4.BJT特性曲线2020/2/8391.4半导体三极管（BJT）1.基本结构符号：BECBECNPN型三极管PNP型三极管NNP发射极集电极NPN型BECPNP型PPNBEC基极发射极集电极基极电流方向从P到N2020/2/840基区：最薄，一般在几个微米至几十个微米掺杂浓度很低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大管芯结构剖面图2020/2/8412.电流分配和放大原理三极管放大的外部条件EBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VBVE集电结反偏VCVB从电位的角度看：NPN发射结正偏VBVE集电结反偏VCVBBECNNPPPNBECVCVBVEVEVBVC硅管|VBE|=0.7V锗管|VBE|=0.3V2020/2/842cbeN+NPVEEVCCReRc内部载流子的传输过程三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子IEIBICIEIENICBOCBEIIICBOENCIIICBOBEBIII三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。IBE发射结集电结2020/2/843各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00