半导体二极管和三极管课件8

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,1,3.1,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,硅原子结构,图,3.1.1,硅原子结构,(a),硅的原子结构图,最外层电子称,价电子,价电子,锗原子也是,4,价元素,4,价元素的原子常常用,+4,电荷的正离子和周围,4,个价电子表示。,+4,(b),简化模型,3,3.1.1,本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图,3.1.2,单晶体中的共价键结构,当温度,T,=0,K,时，半导体不导电，如同绝缘体。,4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,图,3.1.3,本征半导体中的,自由电子和空穴,自由电子,空穴,若,T,，将有少数价电子克服共价键的束缚成为,自由电子,，在原来的共价键中留下一个空位,空穴。,T,自由电子,和,空穴,使,本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,5,1.,半导体中两种载流子,带负电的,自由电子,带正电的,空穴,2.,本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为,电子,-,空穴对。,3.,本征半导体中,自由电子,和,空穴,的浓度,用,n,i,和,p,i,表示，显然,n,i,=,p,i,。,4.,由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。,在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5.,载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,6,3.1.2 N,型导体和,P,型半导体,杂质半导体有两种,N,型半导体,P,型半导体,一、,N,型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的,5,价,杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成,N,型半导体,(,或称电子型半导体,),。,常用的,5,价杂质元素有磷、锑、砷等。,7,本征半导体掺入,5,价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有,5,个价电子，其中,4,个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即,n,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,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+5,自由电子,施主原子,图,3.1.4,N,型半导体的晶体结构,9,二、,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,3.1.5,P,型半导体的晶体结构,10,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,11,3.1.3 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,3.1.7,PN,结的形成,12,一、,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,13,3.,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,),14,5.,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,。,15,二、,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,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,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,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,。,19,3.2,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,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。,21,二极管的伏安特性,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,22,1.,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。,23,2.,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),24,1.,什么是传统机械按键设计？,传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动,PCBA,上的开关按键来实现功能的一种设计方式。,传统机械按键设计要点：,1.,合理的选择按键的类型，尽量选择平头类的按键，以防按键下陷。,2.,开关按键和塑胶按键设计间隙建议留,0.050.1mm,，以防按键死键。,3.,要考虑成型工艺，合理计算累积公差，以防按键手感不良。,传统机械按键结构层图：,按键,开关键,PCBA,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。,26,1.2.3,二极管的主要参数,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。,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,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,28,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,29,4.,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。,30,5.,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,31,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。,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,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