电工与电子技术第6章-半导体元件特性教学提纲.ppt
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1、化学工业出版社化学工业出版社 电工与电子技术第6章-半导体元件特性化学工业出版社化学工业出版社 图图6-1 本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图 图图6-2 本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子 共价键共价键自由电子自由电子空穴空穴 半导体中存在着两种载流子:自由电子和空穴。本半导体中存在着两种载流子:自由电子和空穴。本征半导体中,自由电子与空穴是同时成对产生的,因此,征半导体中,自由电子与空穴是同时成对产生的,因此,它们的浓度是相等的。它们的浓度是相等的。化学工业出版社化学工业出版社 在本征半导体中,掺入微量五价元素,如磷、锑、在本征半导体中,掺入微量五价元素,如磷、锑、砷等,可形成
2、砷等,可形成N N型半导体型半导体。由于五价杂质原子可提供自由电子,故称为施主原子。由于五价杂质原子可提供自由电子,故称为施主原子。N N型半导体中,自由电子称为多数载流子,空穴称为少数型半导体中,自由电子称为多数载流子,空穴称为少数载流子。载流子。6.1.3 杂质半导体杂质半导体1.N型半导体型半导体自由电子自由电子施主原子施主原子化学工业出版社化学工业出版社 在本征半导体中,掺入微量三价元素,如硼、镓、在本征半导体中,掺入微量三价元素,如硼、镓、铟等,可形成铟等,可形成P P型半导体型半导体。由于三价杂质原子容易吸收电子,故称为受主原子。由于三价杂质原子容易吸收电子,故称为受主原子。P P
3、型半导体中,空穴称为多数载流子,自由电子称为少数型半导体中,空穴称为多数载流子,自由电子称为少数载流子。载流子。2.P型半导体型半导体受主原受主原子子空穴空穴化学工业出版社化学工业出版社 同一个半导体基片上,分别制造同一个半导体基片上,分别制造P P型半导体和型半导体和N N型半型半导体,在它们的界面处形成导体,在它们的界面处形成PNPN结,结,PNPN结具有单向导电性。结具有单向导电性。1.PN结的形成结的形成6.1.4 PN结结当当P P型半导体和型半导体和N N型半导体制作在一起时,由于交界型半导体制作在一起时,由于交界两侧半导体类型不同,存在电子和空穴的浓度差。两侧半导体类型不同,存在
4、电子和空穴的浓度差。P P区区的空穴向的空穴向N N区扩散,区扩散,N N区的电子向区的电子向P P区扩散。由于扩散运区扩散。由于扩散运动,动,N N区失掉电子产生正离子,区失掉电子产生正离子,P P区得到电子产生负离子,区得到电子产生负离子,在在P P区和区和N N区的接触面就产生正负离子层,称为区的接触面就产生正负离子层,称为空间电荷空间电荷区区。当多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动当多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动达到动态平衡时,形成稳定的空间电荷区,即形成达到动态平衡时,形成稳定的空间电荷区,即形成PNPN结结。化学工业出版社化学工业出版社 P P型半导体型半导体N
5、N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动PN结结的形成的形成空间电荷区空间电荷区化学工业出版社化学工业出版社 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漂移运动PN结结的形成的形成扩散的结果是使空间扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。间电荷区越宽。内电场越强,就使漂内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。化学工业出版社化学工业出版社 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漂移运动PN结结的形成的形成扩散和漂移达到动态平衡扩散和漂移达到动态平衡时空间电荷区稳定时空间电
6、荷区稳定化学工业出版社化学工业出版社 2.PN结的单向导电性结的单向导电性PNPN结正向偏置时,外加电场与内电场方向相反,当外结正向偏置时,外加电场与内电场方向相反,当外电场大于内电场时,外加电场抵消内电场,使空间电荷电场大于内电场时,外加电场抵消内电场,使空间电荷区变窄,有利于多数载流子运动,形成正向电流区变窄,有利于多数载流子运动,形成正向电流I I。外加。外加电场越强,正向电流电场越强,正向电流I I越大,这意味着越大,这意味着PNPN结的正向电阻变结的正向电阻变小,小,PNPN结处于结处于导通导通状态。状态。给给PNPN结加正向电压,即结加正向电压,即P P区接电源正极,区接电源正极,
7、N N区接电源区接电源负极,此时称负极,此时称PNPN结为正向偏置。结为正向偏置。1)PN结的正向导通特性结的正向导通特性化学工业出版社化学工业出版社 给给PNPN结加反向电压,即电源正极接结加反向电压,即电源正极接N N区,负极接区,负极接P P区,区,称称PNPN结反向偏置这时外加电场与内电场方向相同,使内电结反向偏置这时外加电场与内电场方向相同,使内电场的作用增强场的作用增强,,PNPN结变厚,多数载流子运动难于进行,结变厚,多数载流子运动难于进行,有助于少数载流子运动,形成电流有助于少数载流子运动,形成电流ISIS,少数载流子很少,少数载流子很少,所以电流很小,接近于零,即所以电流很小
8、,接近于零,即PNPN结反向电阻很大,结反向电阻很大,PNPN结处结处于于截止截止状态。状态。给给PNPN结加反向电压,即电源正极接结加反向电压,即电源正极接N N区,负极接区,负极接P P区,区,称称PNPN结结反向偏置反向偏置。2)PN结的反向截止特性结的反向截止特性化学工业出版社化学工业出版社 PN结的单向导电性结的单向导电性化学工业出版社化学工业出版社 2.PN结的击穿特性结的击穿特性PNPN结的击穿分为结的击穿分为雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿。PNPN结处于反向偏置时,在一定电压范围内,流过结处于反向偏置时,在一定电压范围内,流过PNPN结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反
9、向电压超过结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值后,反向电流急剧增加,这种现象称为某一数值后,反向电流急剧增加,这种现象称为反向击反向击穿穿。发生击穿并不一定意味着发生击穿并不一定意味着PNPN结损坏。当结损坏。当PNPN结反向击结反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值穿时,只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电一般通过串接电阻阻R R实现实现),不使其过大,以免因过热而烧坏,不使其过大,以免因过热而烧坏PNPN结,当反结,当反向电压向电压(绝对值绝对值)降低时,降低时,PNPN结的性能就可以恢复正常。结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了稳压二极管正是利用了PNP
10、N结的反向击穿特性来实现稳压结的反向击穿特性来实现稳压的,当流过的,当流过PNPN结的电流变化时,结电压保持基本不变。结的电流变化时,结电压保持基本不变。化学工业出版社化学工业出版社 将一个将一个PN结加上相应的两根外引线,然后结加上相应的两根外引线,然后用塑料、玻璃或铁皮等材料做外壳封装就成为二用塑料、玻璃或铁皮等材料做外壳封装就成为二极管极管。6.2 6.2 半导体二极管半导体二极管6.2.1 二极管的结构二极管的结构1.二极管的结构二极管的结构2.二极管的符号二极管的符号化学工业出版社化学工业出版社 在外加电压的作用下,二极管电流的变化规在外加电压的作用下,二极管电流的变化规律称为二极管
11、的伏安特性曲线律称为二极管的伏安特性曲线。6.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性导通压降导通压降:硅硅管管0.60.8V,锗锗管管0.20.3V。化学工业出版社化学工业出版社 6.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数I IF F是二极管允许通过的最大正向平均电流。是二极管允许通过的最大正向平均电流。1.最大整流电流最大整流电流I IF URM是允许施加在二极管两端的最大反向工作电是允许施加在二极管两端的最大反向工作电压,通常取反向击穿电压的二分之一。压,通常取反向击穿电压的二分之一。2.最大反向工作电压最大反向工作电压U URM I IR R是指二极管未击穿时的反向电流值,越小越好。
12、是指二极管未击穿时的反向电流值,越小越好。3.反向电流反向电流I IR f fMM是保证二极管单向导电性的最高工作频率。是保证二极管单向导电性的最高工作频率。4.最高工作频率最高工作频率f f M化学工业出版社化学工业出版社 6.2.4 二极管的应用二极管的应用 【例例6-1】如图所示限幅电路。已知输入电压为,试分析限幅电平如图所示限幅电路。已知输入电压为,试分析限幅电平E分别为分别为0V、6V和和-6V时输出电压的波形。时输出电压的波形。利用二极管的单向导电特性,可以构成各种应用电路,如二极利用二极管的单向导电特性,可以构成各种应用电路,如二极管整流电路、限幅电路、开关电路等管整流电路、限幅
13、电路、开关电路等。当当EV,ui时二极管导通,时二极管导通,uoV;uiV,二极管截止,二极管截止,uoui,即限,即限幅电平为幅电平为V。当当E6V,ui6时二极管导通,时二极管导通,uo6V;ui6V,二极管截止,二极管截止,uoui,即限幅电,即限幅电平为平为6V。当当E-6V,ui-6时二极管导通,时二极管导通,uo-6V;ui-6V,二极管截止,二极管截止,uoui,即限,即限幅电平为幅电平为-6V。分析:分析:化学工业出版社化学工业出版社 解:a)E=0Vb)E=6Vc)E=-6V 当输入信号电压在一定范围内变化时,输出电压随输当输入信号电压在一定范围内变化时,输出电压随输入电压相
14、应变化;而当输入电压超出该范围时,输出电压入电压相应变化;而当输入电压超出该范围时,输出电压保持不变,这就是保持不变,这就是限幅限幅电路。通常将输出电压开始不变的电路。通常将输出电压开始不变的电压值称为限幅电平。电压值称为限幅电平。例例6-1 输出电压波形输出电压波形化学工业出版社化学工业出版社 反向击穿时,反向击穿时,在一定的电流在一定的电流范围内端电压范围内端电压几乎不变几乎不变6.2.5 稳压二极管及其应用稳压二极管及其应用 稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型二极管,简称为稳压管。稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型二极管,简称为稳压管。1 1)稳压)稳压二极管的符号二极管的符号 1.
15、稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性 2 2)稳压)稳压二极管的伏安特性二极管的伏安特性 符号符号伏安特性伏安特性化学工业出版社化学工业出版社 2.稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数U UZ Z是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。1)稳定电压)稳定电压U UZ I IZ Z是使稳压管正常工作时的最小电流是使稳压管正常工作时的最小电流 。2)稳定电流)稳定电流I IZ r rZ Z是稳压管工作在稳压区时,两端电压变化量与电流变化是稳压管工作在稳压区时,两端电压变化量与电流变化量之比。量之比。3)动态电阻)动态电阻r rZ P PZMZM等
16、于稳压管的稳定电压值等于稳压管的稳定电压值U UZ Z与最大稳定电流的乘积与最大稳定电流的乘积 。4)额定功耗)额定功耗PZM温度系数是指稳压管温度变化温度系数是指稳压管温度变化11时,所引起的稳定电压时,所引起的稳定电压变化的百分比。变化的百分比。5)温度系数温度系数 化学工业出版社化学工业出版社 3.稳压二极管的应用稳压二极管的应用 如图如图6-12所示。图中,所示。图中,R为限流电阻,令流经稳压二极管的电流为限流电阻,令流经稳压二极管的电流合适,使稳压二极管工作在稳压区。合适,使稳压二极管工作在稳压区。利用稳压二极管的稳压特性可以构成简单的稳压电路。利用稳压二极管的稳压特性可以构成简单的
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