第9章-半导体二极管和三极管分解优秀PPT.ppt
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1、电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院1第9章 半导体二极管和三极管电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院29.1 9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体:导电实力介于导体和绝缘体之间的材料。半导体:导电实力介于导体和绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、硒及很多金属的氧化物和硫化物等。常见的半导体材料有硅、锗、硒及很多金属的氧化物和硫化物等。半导体材料的特性:半导体材料的特性:1.纯净半导体的导电实力很差;纯净半导体的导电实力很差;2.温度上升温度上升导电实力增加;导电实力增加;3.光照增加光照增加导电实力增加;导电实力增加;4.掺入少量杂质掺入少量杂质导电实力增加。导电实
2、力增加。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院3现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。(价电子)都是四个。GeSi一、一、本征半导体本征半导体电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院4硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除去价电表示除去价电子后的原子子后的原子+4+4+4+4+4+4电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院5形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。结构。共价键有很强的结合力,
3、使原子规则排共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。列,形成晶体。+4+4+4+4完全纯净的、结构完整的半导体晶体,称为完全纯净的、结构完整的半导体晶体,称为本征半导体本征半导体。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院6硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构在确定温度在确定温度0度(度(T=0K)和没有外界激发时)和没有外界激发时,价电子完全被共价价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子),键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子),它的导电实力为它的导电实力为0,相当于绝缘体。,相当于绝缘体。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院7 当当温温
4、度度上上升升或或受受到到光光的的照照射射时时,价价电电子子能能量量增增高高,有有的的价价电电子可以摆脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。子可以摆脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,原子自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,原子的电中性被破坏,呈现出正电性,其正电量与电子的负电量相等,人们常的电中性被破坏,呈现出正电性,其正电量与电子的负电量相等,人们常称呈现正电性的这个空位为称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。这一现象称为这一现象称为本征激发,本征激发,也称也称热激发热激发。本征半导体的导电机理本征半导体的导电
5、机理电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院8+4+4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院9电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院10电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院11本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电实力越温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电实力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的强,温度是影
6、响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。一大特点。本征半导体的导电实力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电实力取决于载流子的浓度。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院12在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变更。性能发生显著变更。N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的在硅或锗晶体中掺入少量的五价五价元素元素磷(或锑)磷(或锑)二、二、杂质半导体杂质半导体 Negative Negative电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院13+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原
7、子电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院14N型半导体型半导体N型半导体中的载流子是什么?型半导体中的载流子是什么?1、由施主原子供应的电子,浓度与施主原子相同。、由施主原子供应的电子,浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子(多子多子),空穴称为),空穴称为少数载流子少数载流子(少子少子)。)。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院15+4+4
8、+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子在硅或锗晶体中掺入少量的在硅或锗晶体中掺入少量的三价三价元素,如元素,如硼(或铟)硼(或铟)PositivePositive电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院16杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体空穴空穴正离子正离子负离子负离子电子电子电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院179.1.1 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 半导体器件的核心是半导体器件的核心是PNPN结,是实行确定的工艺措施在一块半导体晶片的结,是实行确定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成两侧分别制成P P型半导
9、体和型半导体和N N型半导体,在两种半导体的交界面上形成型半导体,在两种半导体的交界面上形成PNPN结。结。各种各样的半导体器件都是以各种各样的半导体器件都是以PNPN结为核心而制成的,正确相识结为核心而制成的,正确相识PNPN结是结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。了解和运用各种半导体器件的关键所在。扩散运动扩散运动:物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动,即由于浓即由于浓度差产生的运动度差产生的运动.漂移运动漂移运动:在电场力作用下在电场力作用下,载流子的运动载流子的运动.电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院18P P型半导体型半导体N N型半导体
10、型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区一、一、PN结形成结形成电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院19扩散的结果是使空间电荷区渐渐加扩散的结果是使空间电荷区渐渐加宽,空间电荷区越宽。宽,空间电荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E内电场越强,就使漂移运动越强,内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。而漂移使空间电荷区变薄。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院20 最终,多数载流子的扩散和少数载流子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面,离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区,由于缺少多数载流
11、子,所以也称耗尽层。又称阻挡层。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院211.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N区区 中的电子(中的电子(多数载流子多数载流子)向对方运动(向对方运动(扩散运动扩散运动)。)。3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴(区中的空穴(少少数载流子数载流子),数量有限,因此由),数量有限,因此由它们形成的电流很小。它们形成的电流很小。留意留意:电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院22二、二、PNPN结的单向导电性结的单向导电性 假如外加电压使PN结中:P区
12、的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏;P P区的电位低于区的电位低于N N区的电位,称为加区的电位,称为加反向电压反向电压,简称简称反偏反偏。PNPN结具有单向导电性结具有单向导电性:若外加电压使电流从若外加电压使电流从P P区流到区流到N N区,区,PNPN结呈低阻性,所以电流大;反之是高阻性,电流小。结呈低阻性,所以电流大;反之是高阻性,电流小。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院23+内电场内电场 外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被减弱,内电场被减弱,在外电场作用下多数载流在外电场作用下多数载流子的扩散加强,空间电荷子的扩散加强,空间电荷区变薄,形成较大的扩散区变薄,形成
13、较大的扩散电流。电流。(1)PN PN结加正向电压结加正向电压空穴自由电子电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院24图图 PN PN结加正向电压时的导电状况结加正向电压时的导电状况电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院25+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_ 内电场被加强,内电场被加强,多数载多数载流子的扩散受抑流子的扩散受抑 制。少制。少数载流数载流子漂移加子漂移加 强,空强,空间电荷区变宽。间电荷区变宽。但少但少数数载流载流子数量子数量 有限,只能有限,只能形成形成 较小的反向电流较小的反向电流。(2)PN PN结加反向电压结加反向电压电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院26
14、图图 PN PN结加反向电压时的导电状况结加反向电压时的导电状况电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院279.2 半导体二极管半导体二极管 在在PNPN结上加上引线和管壳,就成为一个二极管。二极管按结构分有结上加上引线和管壳,就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、点接触型、面接触型和平面型面接触型和平面型三大类。三大类。(a)(a)点接触型点接触型 PNPN结面积小,结电容小,结面积小,结电容小,用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路。工作电流较小。工作电流较小。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院28(b)面接触型(c)(c)平面型平面型符号:符号:D阳极阳极阴极阴极P
15、N PNPN结面积大,用结面积大,用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路。PN PN 结面积可大可小,用结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院29UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降:硅管硅管0.60.7V,锗管锗管0.20.3V。反向击穿电压反向击穿电压U(BR)死区死区电压电压正向正向反向反向外电场不足以克服外电场不足以克服内电场内电场,电流很小电流很小外电场不足以克服外电场不足以克服内电场内电场,电流很小电流很小一、伏安特性一、伏安特性当外加电压大于死区电压内电场当外加电压大于死
16、区电压内电场被大大减减弱被大大减减弱,电流增加很快。电流增加很快。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院30UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗锗管管0.1V。导通压降导通压降:硅管硅管0.60.7V,锗管锗管0.20.3V。反向击穿电压反向击穿电压U(BR)死区死区电压电压反向反向 由于少子的漂移运动形成很小的反向电流由于少子的漂移运动形成很小的反向电流,在在且且U U(BR)时时,其反向电流其反向电流突然增大突然增大,反向击穿。反向击穿。一、伏安特性一、伏安特性击穿是不行击穿是不行逆转的!逆转的!电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院32二、主要参数二、主要参数1)最大整流电流)
17、最大整流电流 IOM二极管长期运用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期运用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。2)反向击穿电压)反向击穿电压VBR(不行逆转)(不行逆转)二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增,二极管的单向导二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压电性被破坏,甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VDRM一般一般是是VBR的一半。的一半。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院333)反向电流)反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大,说明管子的单向指二
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