第14章半导体二极管和三极管14351课件.ppt
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- 14 半导体 二极管 三极管 14351 课件
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1、 电工学是研究电能在技术领域中应用的技电工学是研究电能在技术领域中应用的技术基础课程。分电工技术和电子技术术基础课程。分电工技术和电子技术两部分。电子技术主要是研究各种半导体器件两部分。电子技术主要是研究各种半导体器件的结构、性能、电路及应用技术;阐述电子技的结构、性能、电路及应用技术;阐述电子技术的基本概念基本原理和基本分析方法。术的基本概念基本原理和基本分析方法。前言前言 本书包括模拟电子技术和数字电子技术两本书包括模拟电子技术和数字电子技术两部分。前者主要讨论的是线性电路;后者着重部分。前者主要讨论的是线性电路;后者着重讨论脉冲数字电路。讨论脉冲数字电路。第第1414章章 半导体二极管和
2、三极管半导体二极管和三极管14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性14.2 PN 结结14.3 半导体半导体二二极管极管14.4 稳压管稳压管14.5 晶体管晶体管14.6 光电器件光电器件14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体,金,金属一般都是导体。属一般都是导体。有的物质几乎不导电,称为有的物质几乎不导电,称为绝缘体绝缘体,如橡,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为之间,称为半导体
3、半导体,如锗、硅、砷化镓和一些,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。半导体的导电机理不同于其它物质,所半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。比如:以它具有不同于其它物质的特点。比如:当受外界热和光的作用时,它的导当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质,往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显改变。会使它的导电能力明显改变。如光敏电阻如光敏电阻,热敏电阻热敏电阻可增加几十万至几百万倍。例如在纯硅中参入百可增加几十万至几百万倍。例如在纯硅中参入百万分之一的硼后,硅的电阻率就从大约万分之一的
4、硼后,硅的电阻率就从大约 2x103 m 减小到减小到 4x10-3 m左右左右.利用这种特性就做成了各利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件,如二极管三极管种不同用途的半导体器件,如二极管三极管、场、场效应管及晶闸管效应管及晶闸管 14.1.1 本征半导体本征半导体现代电子学中,用的最多的半导体是硅和现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。GeSi1、本征半导体定义、本征半导体定义完全纯净的、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。通过一定的提纯工艺过程,可以将半通过一定的提纯工艺过程,可以将半
5、导体制成导体制成晶体晶体。2、结构:共价键、结构:共价键在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键,共用一对价,共用一对价电子。电子。硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子形成共价键后,每个原子的最外层电形成共价键后,每个原
6、子的最外层电子是八个,构成稳定结构。子是八个,构成稳定结构。共价键有很强的结合力,共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。使原子规则排列,形成晶体。+4+4+4+4自由电子:自由电子:当导体处于热力学温度当导体处于热力学温度0K时,时,导体中没有自由电子。当温度升高或受到导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有的价电光的照射时,价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为成为自由电子自由电子。空穴:空穴:自由电子产生的同时,在其原来的共自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,原子的电中性被
7、价键中就出现了一个空位,原子的电中性被破坏,呈现出正电性,其正电量与电子的负破坏,呈现出正电性,其正电量与电子的负电量相等,人们常称呈现正电性的这个空位电量相等,人们常称呈现正电性的这个空位为为空穴空穴。空穴运动相当于正电荷的运动。空穴运动相当于正电荷的运动 这一现象称为这一现象称为本征激发,本征激发,也称也称热激发热激发。3、自由电子和空穴、自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,称为同时成对出现的,称为电子空穴对电子空穴对。游离的部。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去,
8、称为分自由电子也可能回到空穴中去,称为复合,复合,如图所示。如图所示。激发复合本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程(动画动画1-1)当半导体两端加上外电压时当半导体两端加上外电压时,半导体中将出半导体中将出现两部分电流现两部分电流:一是自由电子作定向运动所形一是自由电子作定向运动所形成的成的电子电流电子电流,一是应被原子核束缚的价电子一是应被原子核束缚的价电子(注意注意,不是自由电子)递补空穴所形成的不是自由电子)递补空穴所形成的空穴空穴电流电流。在半导体中,同时存在着电子导电和空穴在半导体中,同时存在着电子导电和空穴导电,这是半导体导电方式的最大特点,也导电,这是半导体导电方式的最大特点
9、,也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。是半导体和金属在导电原理上的本质差别。4、载流子:自由电子和空穴。、载流子:自由电子和空穴。本征半导体中的自由电子和空穴总是本征半导体中的自由电子和空穴总是成对成对出现的,同时又不断地复合。在一出现的,同时又不断地复合。在一定温度下,载流子的产生和复合达到动定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,于是半导体中的载流子(自由态平衡,于是半导体中的载流子(自由电子和空穴)边维持一定数目。温度越电子和空穴)边维持一定数目。温度越高,载流子数目越多,导电性能也就越高,载流子数目越多,导电性能也就越好。所以,好。所以,温度对半导体器件性能的影温度对半导体器件性
10、能的影响很大。响很大。小结:u两种载流子两种载流子:自由电子和空穴。自由电子和空穴。u温度对半导体器件性能的影响很大。温度对半导体器件性能的影响很大。u本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。14.1.2 N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质,在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为称为N型半导体型半导体(电子半导体),使空
11、穴浓(电子半导体),使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为度大大增加的杂质半导体称为P型半导体型半导体(空穴半导体)。(空穴半导体)。1、N型半导体型半导体晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相临的半导体原子形成共价键,必定多出一相临的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子。激发而成为自由电子。磷原子就成了不能移动的带正电的离子。磷原子就成了不能移动的带正电的离子。方法:在硅或锗晶体中掺入少量的方
12、法:在硅或锗晶体中掺入少量的 五价元素磷(或锑)五价元素磷(或锑)+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子N型半导型半导体体N型半导体中的载流子是什么?型半导体中的载流子是什么?1、由杂质原子提供的电子,浓度与杂质原子、由杂质原子提供的电子,浓度与杂质原子相同相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴对。、本征半导体中成对产生的电子和空穴对。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数
13、载流子(少子)。导电性能强。少数载流子(少子)。导电性能强。2、P型半导体型半导体晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相临的半导硼原子的最外层有三个价电子,与相临的半导体原子形成共价键时,产生一个空穴。这个空体原子形成共价键时,产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补。穴可能吸引束缚电子来填补。硼原子成为不能移动的带负电的离子。硼原子成为不能移动的带负电的离子。方法:在硅或锗晶体中掺入少量的三价方法:在硅或锗晶体中掺入少量的三价 元素,如硼(或铟)。元素,如硼(或铟)。多子:空穴,少子:电子多子:空穴,少子:电子。导电性
14、能强。导电性能强。+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体14.2 PN结结及其单向导电性及其单向导电性1.PN 结的形成结的形成P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+PN结结2 PN2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1)、加正向电压,加正向电压,简称正偏简称正偏(P P区区“+”“+”,N N区区“-“-”)结论:结论:PNPN结导通,呈低阻性,所以电流
15、大。结导通,呈低阻性,所以电流大。PNPN结具有的单向导电性。结具有的单向导电性。PN PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有外加的正向电压有一部分降落在一部分降落在PNPN结区,结区,方向与方向与PNPN结内电场方向结内电场方向相反,削弱了内电场。相反,削弱了内电场。于是于是,内电场对多子扩散内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响,形成漂移电流的影响,形成较大的扩散电流,较大的扩散电流,PNPN结结呈现低阻性。呈现低阻性。PNPN结加正向电压时的导电
16、情况如图所示。结加正向电压时的导电情况如图所示。2)2)、加、加反反向电压,向电压,简称简称反反偏偏(P P区区“-”“-”,N N区区“+”“+”)结论:结论:PNPN结截止,呈高阻性,所以电流小。结截止,呈高阻性,所以电流小。PNPN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PNPN结区,方向与结区,方向与PNPN结内电场方向相同,加强了内电场。内电场对多子结内电场方向相同,加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强,扩散运动的阻碍增强,扩散电流大大减小。此时扩散电流大大减小。此时PNPN结区的少子在内电场的结区的少子在内电
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