第2讲半导体器件及其应用电路用精选文档.ppt

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1、第2讲半导体器件及其应用电路用本讲稿第一页，共三十四页1.1半导体的基础知识半导体的基础知识一半导体基本知识一半导体基本知识二二PN结单向导电性结单向导电性本讲稿第二页，共三十四页一、一、半导体基础知识半导体基础知识半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子载流子 能够参与导电的带电粒子。主要有自能够参与导电的带电粒子。主要有自由电子和空穴。由电子和空穴。特特 性性光敏性、热敏性、掺杂性。光敏性、热敏性、掺杂性。本讲稿第三页，共三十四页杂质半导体：杂质半导体：N

2、型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体N 型型半导体半导体:在本征半导体中参入微量在本征半导体中参入微量五价元素五价元素的杂质的杂质形成的半导体。形成的半导体。+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数本讲稿第四页，共三十四页+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数P 型型半导体半导体:在本征半导体中参入微量在本征半导体中参入微量三价元素三价元素的杂质形的杂质形成的半导体。成的半导体。本讲稿第五页，共三十四页P 型、型、N 型半导体的简化图示

3、型半导体的简化图示负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体本讲稿第六页，共三十四页二、二、PN 结及其特性结及其特性一、一、PN 结结(PN Junction)的形成的形成1.载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2.复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子，阻止扩散进行，阻止扩散进行，利于少子的漂移。利于少子的漂移。内建电场内建电场本讲稿第七页，共三十四页P 区区N 区区内电场内电场外电

4、场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF。IF=I多子多子 I少子少子 I多子多子2.外加外加反向反向电压电压(反向偏置反向偏置)reverse bias P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的结的单向导电性单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为

5、零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR=I少子少子 0二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性1.外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置)本讲稿第八页，共三十四页三、三、PN 结的伏安特性结的伏安特性反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当当 T=300(27 C)：UT =26 mVOu/VI/mA正向特性正向特性反反向向击击穿穿加正向电压时加正向电压时加反向电压时加反向电压时iIS本讲稿第九页，共三十四页本节主要介绍了二极管的有关概念：本节主要介绍了二极管的有关概念：本征半导体、空穴、载流子本征半导体、空穴、载流子 杂质半导体：杂质半导体：P P型和型

6、和N N型半导体、多子、少子型半导体、多子、少子PNPN结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场）势垒区、阻挡层、内建电场）PNPN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止结的单向导电性：正偏导通、反偏截止 PNPN结的特性曲线：结的特性曲线：正向特性：死区电压、导通电压正向特性：死区电压、导通电压 反向特性：反向饱和电流、温度影响大反向特性：反向饱和电流、温度影响大本讲稿第十页，共三十四页思考与习题思考与习题思考题：P4 1.；2.本讲稿第十一页，共三十四页1.2半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路一、一、二极管的结构和类

7、型二极管的结构和类型二、二、二极管的伏安特性二极管的伏安特性三、三、二极管的主要参数二极管的主要参数四、四、二极管应用电路二极管应用电路五、五、其它类型二极管其它类型二极管本讲稿第十二页，共三十四页一、一、半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型构成：构成：PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)符号：符号：A(anode)C(cathode)分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型本讲稿第十三页，共三十四页点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负

8、极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底本讲稿第十四页，共三十四页常见二极管的外型封装及符号常见二极管的外型封装及符号 本讲稿第十五页，共三十四页本讲稿第十六页，共三十四页二、二、二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.PN 结的伏安方程结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当当 T=300(27 C)：UT =26 mV本讲稿第十七页，共三十四页2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向

9、特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5 V 0.2 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on)=(0.6 0.8)V导通电压导通电压硅管硅管 0.7 V(0.2 0.3)V 锗管锗管 0.3 V反向特性反向特性ISU(BR)反反向向击击穿穿U(BR)U 0 iD=IS 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)U U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)本讲稿第十八页，共三十四页反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场

10、太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压击穿电压 6 V，正正温度系数温度系数)击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。本讲稿第十九页，共三十四页硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4 25 50510150.010.020本讲稿第二十页，共三十四页温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550iD/mAuD/V20 C90 CT 升高时，升高时，UD(on)以以(2 2.5)mV/C 下降下降本讲稿

11、第二十一页，共三十四页三、三、二极管的主要参数二极管的主要参数1.IF 最大整流电流最大整流电流(最大正向平均电流最大正向平均电流)2.URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为 U(BR)/2 3.IR 反向电流反向电流(越小单向导电性越好越小单向导电性越好)4.fM 最高工作频率最高工作频率(超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)I FURMO本讲稿第二十二页，共三十四页反向电阻测试反向电阻测试正向电阻测试正向电阻测试正向电阻很小，二极管正向电阻很小，二极管导通。导通。正向电阻很大，二极管截止。正向电阻很大，二极管截止。如何用万用表的如何用万用表的“”档来辨别一只

12、二极管档来辨别一只二极管？本讲稿第二十三页，共三十四页1.二极管限幅电路二极管限幅电路解：请观看仿真波形解：请观看仿真波形!ID+vo-R 10K+vi20V 例例2-1 电路图电路图VREF 例例2-1.如图如图1所示电路。所示电路。试画出试画出VREF分别为分别为0、10V时时的波形。其的波形。其中中vi=20sin tV。2.二极管开关电路二极管开关电路 例例2-2.如图如图2所示电路。所示电路。试求试求VI1、VI2为为0和和+5V时时V0的值的值。R 10K V0Vcc+5V 例例2-2 电路图电路图VI1VI2D1D2000+5V 0 0 0 +5V +5V 0 +5V +5VV0

13、VI1 VI2 四、四、二极管应用电路二极管应用电路本讲稿第二十四页，共三十四页Fu2 负负半半周周时时：A点点电电位位最最低低，B点点电电位位最最高高，D2、D4导导通通，D1、D3截截止止，uo=-u2。Fu2 正正半半周周时时：A点点电电位位最最高高，B点点电电位位最最低低，D1、D3导导通通，D2、D4截截止止，uo=u2;电路及工作原理电路及工作原理3.二极管单相桥式整流电路二极管单相桥式整流电路本讲稿第二十五页，共三十四页伏安特性伏安特性符号符号工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿iZ/mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ特性特性4.稳压二极管稳压二极管本

14、讲稿第二十六页，共三十四页主要参数主要参数a.稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。两端的反向电压值。b.稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，越大稳压效果越好，小于小于 Imin 时不稳压。时不稳压。c.最大工作电流最大工作电流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM=UZ IZMd.动态电阻动态电阻 rZrZ=UZ/IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 本讲稿第二十七页，共三十四页1.1.发光二极管与光敏二极管发光二极管与光敏二极管（1）发光二极管）发光二极管 LED(Light Emitting Diode)

15、符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十 mA，导通电压导通电压(1 2)V符号符号u/Vi /mAO2特性特性五、五、其它类型的二极管其它类型的二极管本讲稿第二十八页，共三十四页主要参数主要参数电学参数：电学参数：I FM，U(BR)，IR光学参数：光学参数：峰值波长峰值波长 P，亮度亮度 L，光通量光通量 发光类型：发光类型：可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型：普通普通 LED，不可见光：不可见光：红外光红外光点阵点阵 LED七段七段 LED,本讲稿第二十九页，共三十四页本讲稿第三十页，共三十四页（2）光敏二极管）光敏二极

16、管符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E=200 lxE=400 lx工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片实物照片本讲稿第三十一页，共三十四页补充：补充：选择二极管选择二极管限流电阻限流电阻步骤：步骤：1.设定工作电压设定工作电压(如如 0.7 V；2 V(LED)；UZ)2.确定工作确定工作电流电流(如如 1 mA；10 mA；5 mA)3.根据欧姆定律求电阻根据欧姆定律求电阻 R=(UI UD)/ID(

17、R 要选择标称值要选择标称值)本讲稿第三十二页，共三十四页本节主要介绍了二极管的有关概念：本节主要介绍了二极管的有关概念：半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触型、平面型；硅管、锗管；整流管、开关管、检波型、平面型；硅管、锗管；整流管、开关管、检波管、发光管、光敏管、稳压管等。管、发光管、光敏管、稳压管等。半导体二极管的特性：与半导体二极管的特性：与PNPN结基本相同。结基本相同。半导体二极管的参数半导体二极管的参数 PNPN结的特性曲线：结的特性曲线：正向特性：死区电压、导通电压正向特性：死区电压、导通电压 反向特性：反向饱和电流、温度影响大反向特性：反向饱和电流、温度影响大 击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、热击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、热击穿击穿本讲稿第三十三页，共三十四页思考与习题思考与习题习 题：P42：1-15，1-16,1-17；选作1-18。本讲稿第三十四页，共三十四页