电工学与电工技术PPT讲稿.ppt
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1、电工学与电工技术第1页,共50页,编辑于2022年,星期日第第14章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管14.3 半导体二极管半导体二极管14.4 稳压二极管稳压二极管稳压二极管稳压二极管14.5 半导体三极管半导体三极管半导体三极管半导体三极管14.2 PN14.2 PN结结14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性第2页,共50页,编辑于2022年,星期日第第14章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管本章要求:本章要求:本章要求:本章要求:一、理解一、理解一、理解一、理解PN结的单向导电性,三极管的电流分配和结的单向导电性,三极管的电流分配和 电流放大作用;电流放大作用;电
2、流放大作用;电流放大作用;二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线,理解主要参数的意义;作原理和特性曲线,理解主要参数的意义;三、会分析含有二极管的电路。三、会分析含有二极管的电路。三、会分析含有二极管的电路。三、会分析含有二极管的电路。第3页,共50页,编辑于2022年,星期日 学会用工程观点分析问题,就是根据实际情况,对器件的学会用工程观点分析问题,就是根据实际情况,对器件的学会用工程观点分析问题,就是根据实际情况,对器件的学会用工程观点分析问题,就是根据实际情况,对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似,以便用简便的
3、数学模型和电路的工作条件进行合理的近似,以便用简便的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似,以便用简便的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似,以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。分析方法获得具有实际意义的结果。分析方法获得具有实际意义的结果。分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时,只要能满足技术指标,就不要过对电路进行分析计算时,只要能满足技术指标,就不要过对电路进行分析计算时,只要能满足技术指标,就不要过对电路进行分析计算时,只要能满足技术指标,就不要过分追究精确的数值。分追究精确的数值。分追究精确的数值。分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、器件是非线性的
4、、特性有分散性、器件是非线性的、特性有分散性、器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程的值有误差、工程的值有误差、工程的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。上允许一定的误差、采用合理估算的方法。上允许一定的误差、采用合理估算的方法。上允许一定的误差、采用合理估算的方法。对于元器件,重点放在特性、参数、技术指标和正确对于元器件,重点放在特性、参数、技术指标和正确对于元器件,重点放在特性、参数、技术指标和正确对于元器件,重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法,不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在使用方法,不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在使用方法,不要过分
5、追究其内部机理。讨论器件的目的在使用方法,不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。于应用。于应用。于应用。第4页,共50页,编辑于2022年,星期日14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性:半导体的导电特性:(可做成温度敏感元件,如热敏电阻可做成温度敏感元件,如热敏电阻可做成温度敏感元件,如热敏电阻可做成温度敏感元件,如热敏电阻)。掺杂性掺杂性掺杂性掺杂性:往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电 能力明显改变能力明显改变(可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导 体器件,如二极管、三
6、极管和晶闸管等)。体器件,如二极管、三极管和晶闸管等)。体器件,如二极管、三极管和晶闸管等)。体器件,如二极管、三极管和晶闸管等)。光敏性:光敏性:光敏性:光敏性:当受到光照时,导电能力明显变化当受到光照时,导电能力明显变化当受到光照时,导电能力明显变化当受到光照时,导电能力明显变化 (可做可做 成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等管、光敏三极管等)。热敏性:热敏性:当环境温度升高时,导电能力显著增强当环境温度升高时,导电能力显著增强当环境温度升高时,导电能力显著增强当
7、环境温度升高时,导电能力显著增强所谓半导体:就是导电能力介于导体和绝缘体之间。所谓半导体:就是导电能力介于导体和绝缘体之间。如:硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物。如:硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物。第5页,共50页,编辑于2022年,星期日14.1.1 本征半导体本征半导体 完全纯净的、具有完全纯净的、具有完全纯净的、具有完全纯净的、具有晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构的半导体,称为本征半导的半导体,称为本征半导体。体。晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构共价健
8、共价健共价键中的两个电子,称为共价键中的两个电子,称为价电子价电子。Si Si Si Si价电子价电子晶体结构:晶体内部原子排列具有周期性,晶体结构:晶体内部原子排列具有周期性,外部具有规则的外形。例如:钻石。外部具有规则的外形。例如:钻石。第6页,共50页,编辑于2022年,星期日 Si Si Si Si价电子价电子 价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后,即(温度升高或受光照)后,即(温度升高或受光照)后,即(温度升高或受光照)后,即可挣脱原子核的束缚,成为可挣脱原子核的束缚,成为可挣脱原子核的束缚,成为可挣脱原子核的束缚,成
9、为自自自自由电子由电子由电子由电子(带负电),同时共(带负电),同时共价键中留下一个空位,称为价键中留下一个空位,称为空穴空穴(带正电)(带正电)(带正电)(带正电)。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴 温度愈高,晶体中产生温度愈高,晶体中产生温度愈高,晶体中产生温度愈高,晶体中产生的自由电子便愈多。的自由电子便愈多。的自由电子便愈多。的自由电子便愈多。自由电子自由电子 在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填补,而在该原子中出现一个空穴,其结果相当于空穴的补,而在该原子中出现一个空穴
10、,其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。运动(相当于正电荷的移动)。第7页,共50页,编辑于2022年,星期日金属的导电机理:金属依靠自由电子导电。金属中的自由电子随时都在做无规则的热运动。当金属导体两端不加电压时,对一个截面来说,任何时刻从其两侧穿过的自由电荷数相等,作用相互抵消,不形成电流。当金属导体两端加电压时,其内部建立了电场,自由电子在恒定的电场力作用下穿梭于金属阳离子之间,不断地与金属阳离子碰撞而受到阻力,当电场力和碰撞的阻力达到平衡时,最终形成一个稳定的自由电子的定向移动速度,从而在金属导体中产生了电流。第8页,共50页,编辑于2022年,星期日本征半导体的导电机理本征半
11、导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时,在半导体中将出现两部分当半导体两端加上外电压时,在半导体中将出现两部分当半导体两端加上外电压时,在半导体中将出现两部分当半导体两端加上外电压时,在半导体中将出现两部分电流电流电流电流 (1)自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流电子电流电子电流 (2)价电子递补空穴价电子递补空穴价电子递补空穴价电子递补空穴 空穴电流空穴电流注意:注意:注意:注意:(1)本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差;其导电性能很差;(2)(2)温度愈高,温度愈高,温度愈高,温度愈
12、高,载流子的数目愈多载流子的数目愈多载流子的数目愈多载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就半导体的导电性能也就半导体的导电性能也就半导体的导电性能也就愈好。愈好。愈好。愈好。所以,温度对半导体器件性能影响很大。所以,温度对半导体器件性能影响很大。所以,温度对半导体器件性能影响很大。所以,温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和自由电子和空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。自由电子和自由电子和空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一定温度下,载流子的
13、产生和复合达到动态平衡,半导体中载定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,半导体中载定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,半导体中载定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,半导体中载流子便维持一定的数目。流子便维持一定的数目。流子便维持一定的数目。流子便维持一定的数目。第9页,共50页,编辑于2022年,星期日14.1.2 N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 掺杂后自由电子数目大掺杂后自由电子数目大量增加,自由电子导电成量增加,自由电子导电成为这种半导体的主要导电为这种半导体的主要导电方式,称为电子半导体或方式,称为电子半导体或N N型半导体。型半导体。型半导体。型半导体。掺
14、入五价元素掺入五价元素掺入五价元素掺入五价元素 Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素)在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),形形形形成杂质半导体。成杂质半导体。成杂质半导体。成杂质半导体。在在N 型半导体中型半导体中型半导体中型半导体中自由电子是多自由电子是多自由电子是多自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。数载流子,空穴是少数载流子。数载流子,空穴是少数载流子。数载流子,空穴是少数载流子。动画动画第10页,共50页,编辑于2022年,星期
15、日14.1.2 N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量增加,空穴导电成为这增加,空穴导电成为这种半导体的主要导电方种半导体的主要导电方式,称为空穴半导体或式,称为空穴半导体或 P型半导体。型半导体。型半导体。型半导体。掺入三价元素掺入三价元素 Si Si Si Si 在在在在 P 型半导体中型半导体中型半导体中型半导体中空穴是多数载空穴是多数载空穴是多数载空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。流子,自由电子是少数载流子。流子,自由电子是少数载流子。流子,自由电子是少数载流子。B硼原子硼原子接受一个接受一个接受一个接受一个电子变为电子变为电子变为电子
16、变为负离子负离子负离子负离子空穴空穴动画动画无论无论N N型或型或P型半导体都是中性的,对外不显电性。型半导体都是中性的,对外不显电性。型半导体都是中性的,对外不显电性。型半导体都是中性的,对外不显电性。第11页,共50页,编辑于2022年,星期日 1.在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 (a.掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度)有关。温度)有关。2.在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 (a.a.掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度)有关。温度)有关。温度)有关。温度)有关
17、。3.3.当温度升高时,少子的数量当温度升高时,少子的数量 (a.减少、减少、减少、减少、b.b.不变、不变、c.增多)。增多)。a ab bc 4.4.在外加电压的作用下,在外加电压的作用下,在外加电压的作用下,在外加电压的作用下,P P 型半导体中的电流型半导体中的电流型半导体中的电流型半导体中的电流主要是主要是主要是主要是 ,N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。(a.电子电流、电子电流、b.b.空穴电流)空穴电流)空穴电流)空穴电流)b ba a第12页,共50页,编辑于2022年,星期日14.2 PN结结14.2.1 PN
18、 PN结的形成结的形成多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体 内电场越强,漂移运动内电场越强,漂移运动内电场越强,漂移运动内电场越强,漂移运动越强,而漂移使空间电荷越强,而漂移使空间电荷越强,而漂移使空间电荷越强,而漂移使空间电荷区变薄。区变薄。区变薄。区变薄。扩散的结果使空间扩散的结果使空间电荷区变宽。电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 扩散和漂移这扩散和漂移这扩散和漂移这扩散和漂移这一对相反的运动一对相反的运动一对相反的运动一对相反的运动最终达到动态平
19、最终达到动态平最终达到动态平最终达到动态平衡,空间电荷区衡,空间电荷区衡,空间电荷区衡,空间电荷区的厚度固定不变。的厚度固定不变。的厚度固定不变。的厚度固定不变。+动画动画形成空间电荷区形成空间电荷区第13页,共50页,编辑于2022年,星期日14.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1.PN 结加正向电压结加正向电压(正向偏置)(正向偏置)(正向偏置)(正向偏置)PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF 内电场被内电场被削弱,多子削弱,多子的扩散加强,的扩散加强,形成较大的形成较大的扩散电流。扩散电流。PN PN 结加正向电压时,结加正向电压时,PNPN结变窄,正
20、向电流较大,正结变窄,正向电流较大,正结变窄,正向电流较大,正结变窄,正向电流较大,正向电阻较小,向电阻较小,向电阻较小,向电阻较小,PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。内电场内电场PN+动画动画+第14页,共50页,编辑于2022年,星期日2.PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压(反向偏置)(反向偏置)(反向偏置)(反向偏置)外电场外电场外电场外电场 P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正 内电场内电场内电场内电场P PN N+动画动画+第15页,共50页,编辑于2022年,星期日PN PN 结变宽结变宽结变宽结变宽2.PN 2.PN 结加反向电压结加反向电压(反
21、向偏置)(反向偏置)(反向偏置)(反向偏置)外电场外电场外电场外电场 内电场被加强,内电场被加强,少子的漂移加强,少子的漂移加强,由于少子数量很由于少子数量很少,形成很小的少,形成很小的反向电流。反向电流。IR P P接负、接负、N N接正接正 温度越高少子的数目越多,反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多,反向电流将随温度增加。动画动画+PN PN 结加反向电压时,结加反向电压时,结加反向电压时,结加反向电压时,PNPN结变宽,反向电流较小,反向结变宽,反向电流较小,反向电阻较大,电阻较大,PN结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。内电场内电场内电场内电场P
22、PN N+第16页,共50页,编辑于2022年,星期日阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅(c)平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型图图 1 12 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 14.3 半导体二极管半导体二极管二极管的结构示意图二极管的结构示意图二极管的结构示意图二极管的结构示意图阴极阴极阳极阳极(d )符号符号D第17页,共50页,编辑于20
23、22年,星期日二极管的应用二极管的应用(a)点接触型点接触型点接触型点接触型(b)面接触型面接触型 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路,也可作数字电路的开关变频等高频电路,也可作数字电路的开关 结面积大、结电容大、正向电流大,但工作频率结面积大、结电容大、正向电流大,但工作频率结面积大、结电容大、正向电流大,但工作频率结面积大、结电容大、正向电流大,但工作频率低,用于整流电路。低,用于整流电路。低,用于整流电路。低,用于整流电路。(c)(c)平面型平面型平面型平面型 用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。PNPN结结面积
24、可大可小,用结结面积可大可小,用结结面积可大可小,用结结面积可大可小,用于大功率整流和开关电路中。于大功率整流和开关电路中。于大功率整流和开关电路中。于大功率整流和开关电路中。第18页,共50页,编辑于2022年,星期日二极管图片 点接触性面接触性 平面性第19页,共50页,编辑于2022年,星期日14.3.2 伏安特性伏安特性硅管硅管硅管硅管0.5V,0.5V,锗锗锗锗管管管管0.1V。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降导通压降导通压降 外加电压大于死区外加电压大于死区电压二极管才能导通。电压二极管才能导通。外加电压大于反向击外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿,穿电压二极管
25、被击穿,失去单向导电性。失去单向导电性。正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性特点:非线性特点:非线性特点:非线性特点:非线性硅硅0 0.60.8V.60.8V锗锗锗锗0 0.20.3V0.3VUI死区电压死区电压死区电压死区电压PN+PN+反向电流反向电流反向电流反向电流在一定电压在一定电压在一定电压在一定电压范围内保持范围内保持常数。常数。常数。常数。第20页,共50页,编辑于2022年,星期日14.3.3 主要参数主要参数1.1.最大整流电流最大整流电流最大整流电流最大整流电流 I IOM二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向
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