半导体二极管和三极管ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,第三章半导体二极管和三极管,3.1半导体的基础知识,3.2半导体二极管,3.3半导体三极管,1,.,第三章半导体二极管和三极管3.1半导体的基础知识3.2半导体,3.1半导体的基础知识,1.导体：,电阻率,10,9,cm 物质。如橡胶、塑料等。,3.半导体：,导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅,(,Si,),和锗,(,Ge,),。,半导体导电性能是由其原子结构决定的。,2,.,3.1半导体的基础知识1.导体：电阻率 ,p,。,电子称为多数载流子,(简称多子)，,空穴称为少数载流子,(简称少子)。,8,.,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+5,自由电子,施主原子,图 3.1.4N 型半导体的晶体结构,9,.,+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图,二、P 型半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,在硅或锗的晶体中掺入少量的,3 价,杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成,P 型半导体,。,+3,空穴浓度多于电子浓度，即,p,n,。,空穴为多数载流子,，电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为,受主原子。,受主原子,空穴,图 3.1.5P 型半导体的晶体结构,10,.,二、P 型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在,说明：,1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3.杂质半导体总体上保持电中性。,4.杂质半导体的表示方法如下图所示。,2.,杂质半导体,载流子的数目,要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(,a,),N 型半导体,(,b,),P 型半导体,图 3.1.6杂质半导体的的简化表示法,11,.,说明：1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少,3.1.3 PN结的形成,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，,称为 PN 结,。,P,N,PN结,图 3.1.7PN 结的形成,12,.,3.1.3 PN结的形成 在一块半导体单晶上一,一、PN 结中载流子的运动,耗尽层,空间电荷区,P,N,1.扩散运动,2.扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成,多数载流子的扩散运动。,PN 结，耗尽层。,图 3.1.8,P,N,13,.,一、PN 结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运,3.空间电荷区产生内电场,P,N,空间电荷区,内电场,U,D,空间电荷区正负离子之间电位差,U,D,电位壁垒,；,内电场,；内电场阻止多子的扩散,阻挡层,。,4.漂移运动,内电场有利于少子运动,漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,阻挡层,图 3.1.9,(,b,),14,.,3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电,5.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；,随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；,当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流,空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；,等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即,扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,电压壁垒,U,D,，硅材料约为,(,0.6 0.8,),V,锗材料约为,(,0.2 0.3,),V。,15,.,5.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,二、PN 结的单向导电性,1.,PN,外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,外电场方向,内电场方向,空间电荷区,V,R,I,空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。,图 3.1.10,P,N,16,.,二、PN 结的单向导电性1.PN 外加正向电压又称正向偏,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，为防止电流过大，可接入电阻,R,。,2.,PN 结,外加反向电压,(,反偏,),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流,I,；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,17,.,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电,空间电荷区,图 3.1.11反相偏置的 PN 结,反向电流又称,反向饱和电流,。,对温度十分敏感,，,随着温度升高，,I,S,将急剧增大,。,P,N,外电场方向,内电场方向,V,R,I,S,18,.,空间电荷区图 3.1.11反相偏置的 PN 结反向电流,综上所述：,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN 结处于,导通状态,；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN 结处于,截止状态,。,可见，PN 结具有,单向导电性,。,19,.,综上所述：19.,3.2半导体二极管,将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。,二极管的结构：,(,a,),外形图,半导体二极管又称晶体二极管。,(,b,),符号,图 3.2.1二极管的外形和符号,20,.,3.2半导体二极管将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳,半导体二极管的类型：,按 PN 结结构,分：,有点接触型和面接触型二极管。,点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。,面接触型二极管,PN 结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。,按用途划分：,有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。,按半导体材料分：,有硅二极管、锗二极管等。,21,.,半导体二极管的类型：按 PN 结结构分：有点接触型和面接,二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，,I,=,f,(,U,),之间的关系曲线,。,60,40,20,0.002,0.004,0,0.5,1.0,25,50,I,/mA,U,/V,正向特性,硅管的伏安特性,死区电压,击穿电压,U,(BR),反向特性,50,I,/mA,U,/V,0.2,0.4,25,5,10,15,0.01,0.02,锗管的伏安特性,0,图 3.2.2二极管的伏安特性,22,.,二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电,1.正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。,相应的电压叫,死区电压,。范围称,死区。死区电压,与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右。,正向特性,死区电压,60,40,20,0,0.4,0.8,I,/mA,U,/V,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,23,.,1.正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。,2.反向特性,0.02,0.04,0,25,50,I,/mA,U,/V,反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小；,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；,反向饱和电流,这种现象称,击穿,，对应电压叫,反向击穿电压,。,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,击穿电压,U,(BR),24,.,2.反向特性 0.02 0.0402550I/,结论：,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,25,.,结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的,1.2.3二极管的主要参数,1.最大整流电流,I,F,二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,2.最高反向工作电压,U,R,工作时允许加在二极管两端的反向电压值,。通常将击穿电压,U,BR,的一半定义为,U,R,。,3.反向电流,I,R,通常希望,I,R,值愈小愈好。,26,.,1.2.3二极管的主要参数1.最大整流电流 IF,3.2.3稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,稳压管,工作于反向击穿区,。,I/,mA,U/,V,O,+,正向,+,反向,U,(,b,),稳压管符号,(,a,),稳压管伏安特性,+,I,图 3.2.3稳压管的伏安特性和符号,27,.,3.2.3稳压管一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,稳压管的参数主要有以下几项：,1.稳定电压,U,Z,3.动态电阻,r,Z,2.稳定电流,I,Z,稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。,正常工作的参考电流。,I,I,Z,，只要不超过额定功耗即可。,r,Z,愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大，,r,Z,值愈小。,I,Z,=5 mA,r,Z,16,I,Z,=20 mA,r,Z,3,I,Z,/mA,28,.,稳压管的参数主要有以下几项：1.稳定电压 UZ3.,4.电压温度系数,U,稳压管的参数主要有以下几项：,稳压管电流不变时，环境温度每变化 1 引起稳定电压变化的百分比。,(,1,),U,Z,7 V,U,0；,U,Z,4 V，,U,0；,(,2,),U,Z,在 4 7 V 之间，,U,值比较小，性能比较稳定。,2CW17：,U,Z,=9 10.5 V，,U,=,0.09,%/,2CW11：,U,Z,=3.2 4.5 V，,U,=,-,(,0.05 0.03,),%/,(,3,),2DW7 系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的精密稳压源中。,29,.,4.电压温度系数 U 稳压管的参数主要有以下几项：稳,5.额定功耗,P,Z,额定功率决定于稳压管允许的温升。,P,Z,=,U,Z,I,Z,P,Z,会转化为热能，使稳压管发热。,电工手册中给出,I,ZM,，,I,ZM,=,P,Z,/,U,Z,30,.,5.额定功耗 PZ额定功率决定于稳压管允许的温升。,VD,Z,R,使用稳压管需要注意的几个问题：,图 3.2.4稳压管电路,U,O,I,O,+,I,Z,I,R,U,I,+,1.,外加,电源的正极接管子的 N 区,，电源的,负极接 P 区,，保证管子工作在反向击穿区；,R,L,2.,稳压管,应,与,负载电阻,R,L,并联,；,3.,必须限制流过稳压管的电流,I,Z,，不能超过规定值,，以免因过热而烧毁管子。,31,.,VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：图 3.2.4稳压管,3.3半导体三极管,又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(,Bipolar Junction Transistor,),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：,NPN,和,PNP,型。,主要以 NPN 型为例进行讨论。,图 3.3.1三极管的外形,32,.,3.3半导体三极管又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极,3.3.1三极管的结构,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图3.3.2三极管的结构,(,a,)平面型(,NPN,),(,b,)合金型(,PNP,),N,e,c,N,P,b,二氧化硅,b,e,c,P,N,P,e 发射极，b基极，c 集电极。,33,.,3.3.1三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗,平面型,(,NPN,),三极管制作工艺,N,c,SiO,2,b,硼杂质扩散,e,磷杂质扩散,磷杂质扩散,磷杂质扩散,硼杂质扩散,硼杂质扩散,P,N,在 N 型硅片,(,集电区,),氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成 P 型,(,基区,),，再在 P 型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。,合金型三极管制作工艺：,在 N 型锗片,(,基区,),两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与 N 型锗接触，冷却后形成两个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。,34,.,平面型(NPN)三极管制作工艺NcSiO2b硼杂质扩散e磷杂