第3章半导体二极管及其基本应用电路优秀PPT.ppt
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1、第第3章半导体二极管章半导体二极管及其基本应用电路及其基本应用电路现在学习的是第1页,共54页3.1 半导体的基础知识半导体的基础知识3.1.1 本征半导体本征半导体 1.导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体:导体:自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体,金属一般,金属一般都是导体。都是导体。绝缘体:绝缘体:有的物质几乎不导电,称为有的物质几乎不导电,称为绝缘体绝缘体,如橡胶、陶,如橡胶、陶瓷、塑料和石英。瓷、塑料和石英。半导体:半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为称为半导体半导体,如锗、硅、砷化
2、镓和一些硫化,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。物、氧化物等。现在学习的是第2页,共54页半导体半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。不同于其它物质的特点。例如:例如:当受外界热和光的作用时,当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质,往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显改变。会使它的导电能力明显改变。热敏性和热敏性和光敏性光敏性掺杂性掺杂性现在学习的是第3页,共54页+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具
3、有有晶晶体体结结构构的的半半导导体体称称为为本本征半导体征半导体 将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体,它它的的原原子子结结构构为为共价键结构。共价键结构。价价电电子子共共价价键键图图 3.1.1本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图2.本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构现在学习的是第4页,共54页+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 3.1.2本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 T 在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空空穴穴。3
4、.本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子(动画1-1)(动画1-2)在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,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(即载流子载流子),它的导电能力为 0,相当于绝缘体。现在学习的是第5页,共54页本征半导体的导电原理+4+4+4+4在电场的作用下,一方面,自由电子将产生定向移动,形成电子电流,另一方面,价电子将按一定的方向依次填补空穴,其效果相当于空穴向相反的方向产生定向移动,形成空穴电流,因此,空穴可看作是一种载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电自由电子子和空穴空穴。空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载载流子
5、。流子。现在学习的是第6页,共54页温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成:1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。现在学习的是第7页,共54页4、本征半导体中载流子的浓度本征激发:本征半导体因受激发而产生自由电子和空穴本征半导体因受激发而产生自由电子和空穴对的现象。对的现象。复合:自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空自由电子在运动过程中如果
6、与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失的现象。穴,使两者同时消失的现象。动态平衡:在一定的温度下,单位时间内本征激发产在一定的温度下,单位时间内本征激发产生的电子空穴对与因复合而消失的电子空穴对相等,生的电子空穴对与因复合而消失的电子空穴对相等,本征半导体中载流子的浓度一定。本征半导体中载流子的浓度一定。现在学习的是第8页,共54页1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2.本本征征半半导导体体中中,自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现,称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和
7、空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示,显然表示,显然 ni=pi。4.由由于于物物质质的的运运动动,自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生又又不不断断的的复复合合。在在一一定定的的温温度度下下,产产生生与与复复合合运运动动会会达达到平衡,载流子的浓度就一定了。到平衡,载流子的浓度就一定了。5.载载流流子子的的浓浓度度与与温温度度密密切切相相关关,它它随随着着温温度度的的升升高,基本按指数规律增加。高,基本按指数规律增加。小结:小结:现在学习的是第9页,共54页3.1.23.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体1
8、.N(Negative)型半导体型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 5 价价杂杂质质元元素素,如如磷磷、锑锑、砷砷等等,即即构构成成 N 型型半半导导体体(或或称称电电子子型型半半导体导体)。现在学习的是第10页,共54页+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子图图 3.1.3N 型半导体型半导体现在学习的是第11页,共54页二、二、P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 3价价杂杂质质元元素素,如如硼硼、镓、铟等,即构成镓、铟等,即构成 P 型半导体型半导体。+3空
9、空穴穴浓浓度度多多于于电电子子浓浓度度,即即 p n。空空穴穴为为多多数数载载流子流子,电子为少数载流子。,电子为少数载流子。3 价价杂杂质质原原子子称称为为受受主主原子。原子。受主受主原子原子空穴空穴图图 3.1.4P 型半导体型半导体现在学习的是第12页,共54页说明:说明:1.掺掺入入杂杂质质的的浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度;温温度度决决定定少少数数载流子的浓度。载流子的浓度。4.杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。3.杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的数数目目要要远远远远高高于于本
10、本征征半半导导体体,因因而其导电能力大大改善。而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法现在学习的是第13页,共54页 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体,另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体,两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了了一一个个特特殊殊的的薄层,薄层,称为称为 PN 结结。PNPN结结图图 PN 结的形成结的形成3.1.3PN结结现在学习的是第14页,共54页耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1).扩散运动扩散运动2).扩扩
11、散散运运动动形成空间电荷区形成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩散运动。扩散运动。耗尽层。耗尽层。PN1.PN 结的形成结的形成现在学习的是第15页,共54页3).空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空空间间电电荷荷区区正正负负离离子子之之间间电电位位差差 Uho 电电位位壁壁垒垒;内电场内电场;内电场阻止多子的扩散;内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4).漂移运动漂移运动内内电电场场有有利利于于少少子运动子运动漂移。漂移。少少子子的的运运动动与与多多子子运运动动方方向向相反相反 阻挡层阻挡层现在学习的是
12、第16页,共54页5).扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小;扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小;随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加;随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加;当当扩扩散散电电流流与与漂漂移移电电流流相相等等时时,总总的的电电流流等等于于零零,空空间间电荷区的宽度达到稳定,形成电荷区的宽度达到稳定,形成PN 结结。即即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PNPN结结现在学习的是第17页,共54页2、PN 结的单向导电性结的单向导电性1.PNPN结结结结 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状
13、态PNPN结结结结 外加正向电压又称正向偏置,简称正偏。外加正向电压又称正向偏置,简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄,有利空间电荷区变窄,有利于扩散运动,电路中有于扩散运动,电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 3.1.6PN什么是什么是PN结的单向结的单向导电性?导电性?有什么作用?有什么作用?现在学习的是第18页,共54页在在 PN 结加上一个很小的正向电压,即可得到较大的正向电流,结加上一个很小的正向电压,即可得到较大的正向电流,为防止电流过大,可接入电阻为防止电流过大,可接入电阻 R。2.PN PN 结结结结外加反向电压时处于截止
14、状态外加反向电压时处于截止状态(反偏反偏)反反向向接接法法时时,外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向一一致致,增增强强了了内内电电场的作用;场的作用;外电场使空间电荷区变宽;外电场使空间电荷区变宽;耗尽层耗尽层PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS现在学习的是第19页,共54页耗尽层耗尽层PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS不不利利于于扩扩散散运运动动,有有利利于于漂漂移移运运动动,漂漂移移电电流流大大于于扩扩散散电电流流,电路中产生反向电流电路中产生反向电流 IS;由于少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小。现在学
15、习的是第20页,共54页耗尽层耗尽层图图 3.1.7PN 结加反向电压时截止结加反向电压时截止 反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感,随着温度升高,随着温度升高,IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS现在学习的是第21页,共54页 当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时,回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电流,电流,PN 结处于结处于 导通状态导通状态;当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时,回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小,几几乎乎等于零,等于零,PN 结处于结处于截止状态截止状态。综上
16、所述:综上所述:可见,可见,PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。现在学习的是第22页,共54页IS:反向饱和电流反向饱和电流UT:温度的电压当量温度的电压当量在常温在常温(300 K)下,下,UT 26 mV3.PN 结的电流方程结的电流方程PN结所加端电压结所加端电压u与流过的电流与流过的电流i的关系为的关系为现在学习的是第23页,共54页4.PN结的伏安特性结的伏安特性i=f(u)之间的关系曲线。之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/mAu/V正向特性正向特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性图图 1.1.10PN结的伏
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