电工电子技术(多学时)1章半导体器件63张幻灯片.ppt
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1、第二部分第二部分第二部分第二部分 电子技术基础电子技术基础1.1 1.2 1.3 1.4 主要内容:主要内容:重点内容:重点内容:难点内容:难点内容:半导体材料的特性,半导体二极管、半半导体材料的特性,半导体二极管、半导体三极管和场效应晶体管的工作原理及应用知导体三极管和场效应晶体管的工作原理及应用知识识电子器件认知规律和电子器件认知规律和1.1.1 1.1.1 半导体:半导体:指指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅(常用的半导体材料有硅(Si)和锗()和锗(Ge e),硒和许),硒和许多金属氧化物、硫化物都是半导体。多金属氧化物、硫化
2、物都是半导体。图图2.1.1 2.1.1 物体的导电性:物体的导电性:(1 1)导体)导体(2 2)绝缘体)绝缘体(3 3)半导体)半导体cmcm 1510142.硅硅 cmcm 1010绝绝 cmcm 410导导(1 1)热敏性)热敏性大部分半导体的导电能力随温度的升高而增强,有些对大部分半导体的导电能力随温度的升高而增强,有些对温度反应敏感。温度反应敏感。热敏元件热敏元件1.1.1 1.1.1 半导体材料的三个特点:半导体材料的三个特点:(2 2)光敏性)光敏性半导体的导电能力随光照强度的变化而变化。例如硫化半导体的导电能力随光照强度的变化而变化。例如硫化镉薄膜,无光照时,电阻是几十兆欧姆
3、,是绝缘体;受镉薄膜,无光照时,电阻是几十兆欧姆,是绝缘体;受光照时,电阻只有几十千欧姆。光照时,电阻只有几十千欧姆。光敏元件光敏元件(3 3)掺杂性)掺杂性如果在纯净半导体中掺入微量其它元素(称为掺杂),如果在纯净半导体中掺入微量其它元素(称为掺杂),半导体的导电能力随着掺杂能力的变化而发生显著变化。半导体的导电能力随着掺杂能力的变化而发生显著变化。基本半导体器件基本半导体器件1.1.2 1.1.2 本征本征杂质杂质1 1、本征半导体、本征半导体完全纯净的具有晶体结构的半导体。完全纯净的具有晶体结构的半导体。图图2.1.1 2.1.1 根据半导体的掺杂情况,半导体材料又可以分为三类:根据半导
4、体的掺杂情况,半导体材料又可以分为三类:典 型 的 半 导典 型 的 半 导体材料有硅(体材料有硅(S Si i)和锗(和锗(G Ge e),它),它们都是四价元素,们都是四价元素,每个原子的外层每个原子的外层有四个价电子,有四个价电子,原 子 结 构 如 图原 子 结 构 如 图2.1.12.1.1所示。所示。四价元素四价元素1.1.2 1.1.2 本征本征杂质杂质SiSiSiSi共价键共价键共价键:共价键:在晶体结构在晶体结构的半导体中,相邻两的半导体中,相邻两个原子的一对最外层个原子的一对最外层电子成为共用电子,电子成为共用电子,形成共价键结构。形成共价键结构。价电子价电子电子、空穴:电
5、子、空穴:在常温在常温下由于分子的热运动,下由于分子的热运动,少量价电子挣脱原子少量价电子挣脱原子核的束缚成为自由电核的束缚成为自由电子,同时在原位留下子,同时在原位留下的空位称空穴。的空位称空穴。结论:结论:在本征半导体中电子空穴成对产生,当温度和光照在本征半导体中电子空穴成对产生,当温度和光照增加时,其数目增加。增加时,其数目增加。自由电子自由电子空穴空穴1.1.2 1.1.2 本征本征杂质杂质SiSiSiSi 在外电场作用下,在外电场作用下,自由电子定向运动,自由电子定向运动,价电子填补空穴。价电子填补空穴。自由电子定向运动自由电子定向运动价电子价电子填补空填补空穴穴在半导体中,同时在半
6、导体中,同时存在着自由电子导存在着自由电子导电和空穴导电。这电和空穴导电。这就是半导体导电方就是半导体导电方式的最大特点。式的最大特点。自由电子和空穴都自由电子和空穴都被称为载流子。被称为载流子。1.1.2 1.1.2 本征本征杂质杂质2 2、杂质半导体、杂质半导体电子型(电子型(N型)半导体型)半导体空穴型(空穴型(P型)半导体型)半导体杂质半导体杂质半导体有两大类有两大类SiSiSiSiSiP在本征在本征 硅硅或锗中掺入五价元素,如或锗中掺入五价元素,如磷、砷、锑,则自由电子磷、砷、锑,则自由电子数目大大增加,形成多数数目大大增加,形成多数载流子。空穴为少数载流载流子。空穴为少数载流子。子
7、。在外电场作用下,自由在外电场作用下,自由电子导电占主导地位,电子导电占主导地位,故称电子型半导体。简故称电子型半导体。简称称空穴空穴自由电子自由电子自由电子数增加自由电子数增加1.1.2 1.1.2 本征本征杂质杂质2 2、杂质半导体、杂质半导体SiSiSiSi在本征在本征 硅或锗中掺入三价元素,硅或锗中掺入三价元素,如硼、铝、铟,则空穴如硼、铝、铟,则空穴数目大大增加,形成多数目大大增加,形成多数载流子。自由电子为数载流子。自由电子为少数载流子。少数载流子。在外电场作用下,空穴在外电场作用下,空穴导电占主导地位,故称导电占主导地位,故称空穴型半导体。简称空穴型半导体。简称空穴空穴自由电子自
8、由电子SiB空穴数增加空穴数增加1.1.3 1.1.3 PN 结结1 1、PN 结形成结形成图图2.1.22.1.2用专门的制用专门的制造工艺在同一块半造工艺在同一块半导体单晶上,形成导体单晶上,形成P型半导体和型半导体和N型半导型半导体,在两种半导体体,在两种半导体的交界面附近,由的交界面附近,由于多数载流子浓度于多数载流子浓度的差别,引起多数的差别,引起多数载流子的扩散运动。载流子的扩散运动。图图2.1.2 2.1.2 P区空穴向区空穴向N区扩散区扩散N区电子向区电子向P区扩散区扩散1.1.3 1.1.3 PN 结结1 1、PN 结形成结形成扩散运动在交界面附近形成一个很薄的空间电荷扩散运
9、动在交界面附近形成一个很薄的空间电荷区,这就是区,这就是PN结。结。图图2.1.2 2.1.2 P P区空穴向区空穴向N N区扩散区扩散N区电子向区电子向P区扩散区扩散阻挡层阻挡层阻挡多子扩散阻挡多子扩散耗尽区耗尽区PN结结1.1.3 1.1.3 PN 结结2 2、PN 结的单向导电性结的单向导电性在在PN结两端加上不同极性的外电压,结两端加上不同极性的外电压,PN结呈不结呈不同的导电性。同的导电性。图图2.1.3 2.1.3 PNPN结加正向电压:结加正向电压:P P区接电源正极,区接电源正极,N N区接电区接电源负极,如源负极,如图图2.1.32.1.3(a a)。)。外电场削弱内电场,外
10、电场削弱内电场,空间电空间电荷荷区变窄,利于多子扩散运区变窄,利于多子扩散运动。动。PN结的正向电流由多数载流结的正向电流由多数载流子形成,比较大,子形成,比较大,PN结呈现结呈现较小的正向电阻,称较小的正向电阻,称PN结正结正向导通。向导通。1.1.3 1.1.3 PN 结结2 2、PN 结的单向导电性结的单向导电性在在PN结两端加上不同极性的外电压,结两端加上不同极性的外电压,PN结呈不结呈不同的导电性。同的导电性。图图2.1.3 2.1.3 PNPN结加反向电压:结加反向电压:P P区接电源负极,区接电源负极,N N区接电区接电源正极,如源正极,如图图2.1.32.1.3(b b)。)。
11、外电场加强内电场,外电场加强内电场,空间电空间电荷荷区变宽,阻止多子扩散运区变宽,阻止多子扩散运动,只有动,只有少数载流子越过空少数载流子越过空间电荷区形成反向电流。间电荷区形成反向电流。PN结的反向电流由少数载流结的反向电流由少数载流子形成,反向电流非常小,子形成,反向电流非常小,PN结呈现极高的反向电阻,结呈现极高的反向电阻,称称PN结反向截止。结反向截止。1.2.1 1.2.1 二极管的基本结构二极管的基本结构1.2.1 1.2.1 二极管的基本结构二极管的基本结构由一个由一个PN结加电极引线与外壳制成。结加电极引线与外壳制成。D图图2.1.4 2.1.4 N阳极或正极阳极或正极阴极或负
12、极阴极或负极阳极或正极阳极或正极阴极或负极阴极或负极D1.2.1 1.2.1 二极管的基本结构二极管的基本结构PN结接触面的大小,结接触面的大小,二极管可二极管可分点接触型与面接触型。分点接触型与面接触型。PN结结接触面小接触面小PN结接触面小,不能通过大结接触面小,不能通过大电流但其结电容小,常用于高频检波及电流但其结电容小,常用于高频检波及小电流整流,使用时不能承受较高的反小电流整流,使用时不能承受较高的反向电压和大电流。向电压和大电流。PN结接触面积大,通过的结接触面积大,通过的正向电流比点接触型大,常用作整流管,正向电流比点接触型大,常用作整流管,但结电容大,适用于低频电路。但结电容大
13、,适用于低频电路。PN结结接触面大接触面大 半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例国家标准对半导体器件型号的命名举例1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性图图2.1.5 2.1.5 mAVDERU+WI1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性正向特性说明:正向特性说明:OA正向死区正向死区AB正向导通区正向导通区硅硅0.5V0.5V锗锗0.2V0.2V硅硅0.6V-0.7V0.6V-0.7V锗锗0.2V-0.3V0.2V-0.3VA0BEmAVDRU+WI1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性反向特性说明:反向
14、特性说明:OC反向截止区反向截止区CD反向击穿区反向击穿区0硅几微安硅几微安锗几十微安锗几十微安CD反向饱和电流反向饱和电流1.2.3 1.2.3 主要参数主要参数D1.2.4 1.2.4 二极管应用举例二极管应用举例图图2.1.6 1.2.1题图题图【】先假设二极先假设二极管不导通管不导通判断加在二极管两端判断加在二极管两端的正向电压是否导通的正向电压是否导通电压?电压?二极管导通,二极管两二极管导通,二极管两端电压等于导通电压;端电压等于导通电压;二极管截止,这条电路中二极管截止,这条电路中无电流。无电流。是是1.2.4 1.2.4 二极管应用举例二极管应用举例【】分析方法:分析方法:【】
15、否否图图2.1.6 1.2.1题图题图(a)图中,假设)图中,假设D不导通,以不导通,以b为参考点,二极管的正为参考点,二极管的正极电位为极电位为12V,负极电位为,负极电位为6V,正向电压为,正向电压为【】分析方法:分析方法:【】所以二极管截止,所以二极管截止,Uab6V,流过电阻的电流为零。,流过电阻的电流为零。12(6)=6V0.6V图图2.1.6 1.2.1题图题图二极管的正向电压为二极管的正向电压为6V0.6V,所以二极管导通,所以二极管导通,导通电导通电压为压为0.6V,Uab120.6V11.4V,流过电阻的电流,流过电阻的电流【】分析方法:分析方法:【】(b)图中,假设)图中,
16、假设D不导通,以不导通,以b为参为参考点,则二极管的正极电位为考点,则二极管的正极电位为6V,负极电位为负极电位为12V,正向电压为,正向电压为6(12)=6V 0.6V I=(120.66)3000=0.0018A负号表示电流方向从负号表示电流方向从b流向流向a。图图2.1.6 1.2.1题图题图【】如图如图2.1.7所示,已知所示,已知E5V,输入信号,输入信号为正弦波为正弦波ui10sint V,二极管的正向导通电压为,二极管的正向导通电压为0.6V,画出输出电压信号的波形图。,画出输出电压信号的波形图。这个电路仍是分析二极这个电路仍是分析二极管的导通与否,图中二极管管的导通与否,图中二
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