半导体二极管和晶体管.ppt

第四章 半导体二极管和晶体管,§4.1 半导体基础知识,§4.2 半导体二极管,§4.3 晶体管,§1 半导体基础知识,半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,4.1.1、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、本征半导体,导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,导电性：与杂质浓度和温度有关 在绝对零度(-273℃)和没有外界影响时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。晶体中无载流子。,硅原子（Silicon）,,,,,,,+4,,价电子(Valence Electron),本征半导体,1.本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,电子空穴对产生、复合，维持动态平衡。对应的电子空穴浓度称为本征载流子浓度。 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于数目很少，故导电性很差。,2、本征半导体中的两种载流子,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。,4.1.2、杂质半导体 1. N型半导体,,磷（P） 施主杂质,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,,硼（B） 受主杂质,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，,,,1. P型半导体,在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。,电子电流,空穴电流,1 漂移电流(Drift Current),,,,,,,,4.1.3、PN结的形成及其单向导电性,2 扩散电流(Diffusion Current) 主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。,PN结的形成及其单向导电性,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN 结的形成,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。即扩散过去多少多子，就有多少少子漂移过来,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,,PN 结的单向导电性,PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,,PN 结的单向导电性,PN结电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,,当u 比UT大几倍时,即呈现指数变化。,当u<0 时,且|u|比UT大几倍时,PN结电流方程讨论,,,PN结的击穿特性,当反向电压超过 U( BR ) 后， |u| 稍有增加时，反向电流急剧增大，这种现象称为PN结反向击穿(Breakdown)。,轻掺杂耗尽区较宽少子动能增大碰撞中性原子产生电子、空穴对连锁反应产生大量电子、空穴对反向电流剧增。,雪崩击穿(Avalanche Multiplication),重掺杂耗尽区很窄强电场将中性原子的价电子直接拉出共价键产生大量电子、空穴对反向电流增大.,齐纳击穿(Zener Breakdown),PN 结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，PN结两侧靠近空间电荷区的区域内，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,4.2 二极管,一、二极管的基本结构,二、二极管的伏安特性及主要参数,一、二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,点接触型,面接触型,平面型,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,二极管的伏安特性：,电击穿：二极管的反向电流随外电路变化，反向电压维持在击穿电压附近---稳压管,由于功率过高造成破坏性 的击穿---热击穿,二极管的反向击穿：,二极管的等效电路及其应用,由于二极管的非线性特性，当电路加入二极管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电路，化为线性电路。,对电子线路进行定量分析时,电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效表示，这称为：“建模”。,1 理想二极管模型 2 恒压降模型 3 折线模型,二极管的等效电路及其应用,理想 二极管,近似分析中最常用,导通时△i与△u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,将伏安特性折线化,交流小信号模型,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,一、二极管整流电路,晶体二极管电路的应用,,,,,,,V,RL,ui,uo,(a) 电路,,,,,,,,,,,半波整流电路,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,二、稳压管稳压电路,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,限流电阻,晶体二极管电路的应用,1. 稳定电压UZ,2. 额定功耗PZ,击穿后流过管子的电流为规定值时，管子两端的电压值。,由管子升温所限定的参数，使用时不允许超过此值。,3. 稳定电流IZ,4. 动态电阻rZ,5. 温度系数α,在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。,表示单位温度变化引起稳压值的相对变化量。,一般为几欧姆到几十欧姆（越小越好）。,2、稳压管稳压电路主要参数,晶体二极管电路的应用,u i ≥ E+UD(ON),三、二极管限幅电路,晶体二极管电路的应用,=5mA，,R=510Ω。假定输入电压变化范围为18～24V， 试确定负载电流的允许变化范围。,例4.2.1 在图4.2.6的稳压电路中，稳压管2CW14(UZ=6V，,,=33mA),,,,(1) 计算,和,,UZ=6V,R=510Ω,输入电压 变化范围为18～24V,=5mA，,=33mA),(2) 计算,及,由于,，当,和,时，流过,的电流最大，为了使稳,压管能安全工作，应使,,,因此,,即,的允许变化范围为2.3~18.5mA。,