電工學(xué)(第七版)第14章半導(dǎo)體(上)課件

(1-0)第十四章

半導(dǎo)體器件電子技術(shù)模擬電路部分(14-1)第十四章二極管和三極管§14.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性§14.2

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦浴?4.3二極管§14.4

穩(wěn)壓二極管§14.5晶體管§14.6光電器件(14-2)導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等?！?4.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體(14-4)14.1.1

本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)GeSi

通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。

現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅(Si)和鍺(Ge)，它們的最外層電子（價電子）都是四個。原子結(jié)構(gòu)圖(14-5)本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在硅和鍺晶體中，每個原子都處在正四面體的中心，而相鄰四個原子位于四面體的頂點，每個原子與其相鄰的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：(14-6)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵、共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子(14-8)二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時，價電子完全被共價鍵束縛，本征半導(dǎo)體中沒有可以自由運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴(14-9)+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子自由電子、空穴成對出現(xiàn)(14-10)2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4

在其它力的作用下，空穴可吸引附近的電子來填補(bǔ)，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可認(rèn)為空穴是載流子。

本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子：自由電子和空穴。自由電子：在晶格中運(yùn)動；空穴：在共價鍵中運(yùn)動(14-12)14.1.2

N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子的濃度大大增加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。(14-13)一、N型半導(dǎo)體+4+5+4+4多余電子磷原子在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。(14-14)N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1.由五價元素提供的電子，濃度與五價元素原子相同。2.本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的自由電子和空穴。

因摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。

(14-16)三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體

雜質(zhì)型半導(dǎo)體中多子和少子的移動都可形成電流，但由于數(shù)量關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子，受溫度影響較小。

一般近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。(14-17)4.在外加電壓作用下，P型半導(dǎo)體中電流主要是

，N型半導(dǎo)體中電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abcba

課堂練習(xí)

(14-18)PN

結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。§14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?14-20)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動

當(dāng)擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平衡時，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。(14-21)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0(14-22)1.空間電荷區(qū)中幾乎沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴、N區(qū)中的自由電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動（擴(kuò)散運(yùn)動）。3.P區(qū)中的自由電子和N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:(14-24)一、PN結(jié)加正向電壓內(nèi)電場外電場變薄PN－－－－++++RE+_

內(nèi)電場被削弱，多子擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形成較大的正向電流。(14-25)二、PN結(jié)加反向電壓－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_RE

內(nèi)電場被加強(qiáng)，多子擴(kuò)散受到抑制，少子漂移加強(qiáng)，但因少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。(14-26)總結(jié)：

1、加正向電壓時，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，呈低電阻，正向電流較大。

2、加反向電壓時，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，呈高電阻，

反向電流很小。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?14-28)常見二極管外形圖(14-29)一、基本結(jié)構(gòu)：PN結(jié)加上管殼和引線。

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(14-30)UI硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓，二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓時，二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦怨?.6~0.8V鍺0.2~0.3V死區(qū)電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。

二、伏安特性：非線性(14-31)三、主要參數(shù)1.最大整流電流

IOM二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。電流超過允許值時，PN結(jié)過熱會損壞管子。2.反向工作峰值電壓URWM保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓U(BR)的一半或三分之二。點接觸型D管為數(shù)十伏，面接觸型D管可達(dá)數(shù)百伏。通常二極管擊穿時，其反向電流劇增，單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。(14-32)3.反向峰值電流

IRM指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流越大，說明二極管的單向?qū)щ娦栽讲?。反向電流受溫度影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較?。?lt;幾微安），鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用主要是利用它的單向?qū)щ娦?，它可?yīng)用于整流、檢波、限幅、保護(hù)等等。(14-33)UI導(dǎo)通壓降實際二極管：正向?qū)?---硅0.6~0.8V鍺

0.2~0.3V

死區(qū)電壓----硅0.5V鍺

0.1V

定性分析：判二極管的工作狀態(tài)----導(dǎo)通、截止

二極管電路分析死區(qū)電壓(14-34)

理想二極管：正向?qū)?---管壓降為零反向截止----相當(dāng)于斷開導(dǎo)通壓降硅0.7V鍺0.2VUI(14-35)

二極管電路分析

分析方法：

1.斷開二極管

2.a)分析其兩端電位高低，

b)或其兩端所加電壓UD的正負(fù)。3.a)V陽>V陰→導(dǎo)通

V陽<V陰→截止

b)UD>0→導(dǎo)通

UD<0→截止(14-36)二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例例1：二極管半波整流(14-37)例2：二極管的檢波應(yīng)用RRLuIuRuOP11：例14.3.1uR：R和C構(gòu)成微分電路tttuIuRuOt1t2作用：除去正尖脈沖(14-38)例3：已知：管子為鍺管，VA=3V，VB=0V。導(dǎo)通壓降為0.3V，試求：VY=?方法：先判二極管誰優(yōu)先導(dǎo)通，導(dǎo)通后二極管起嵌位作用兩端壓降為定值。因：VA>VB故：DA優(yōu)先導(dǎo)通

DB截止若：DA導(dǎo)通壓降為0.3V則：VY=2.7V解：P12：例14.3.2DA-12VVAVBVYDBR作用：鉗位(14-39)ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui

≤8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：

理想二極管，畫出uo

波形。8V例4：二極管的用途：

整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––(14-40)例5：已知：管子為鍺管，VA=3V，VB=0V。導(dǎo)通壓降為0.3V，試求：VY=?方法：先判二極管誰優(yōu)先導(dǎo)通，導(dǎo)通后二極管起嵌位作用兩端壓降為定值。因：VA<VB故：DB優(yōu)先導(dǎo)通DA截止若：DB導(dǎo)通壓降為0.3V則：VY=0.3V解：P12：例14.3.2DAVAVBDBVY+12VR(14-41)FD1D2AB-12V例6：-0.3V2.7V2.7V2.7V設(shè)二極管的導(dǎo)通壓降為0.3伏。(14-42)F