第三講半導(dǎo)體二極管和三極管ppt課件

1、第三講第三講 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件完全純凈的,具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 。它具有共價(jià)鍵構(gòu)造。 價(jià)電子價(jià)電子硅原子硅原子一、半導(dǎo)體和一、半導(dǎo)體和PNPN結(jié)結(jié) 在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電?？昭ê妥杂呻娮佣挤Q為載流子。它們成對(duì)呈現(xiàn)，成對(duì)消失。在常溫下自由電子和空穴的形成在常溫下自由電子和空穴的形成復(fù)合自由電子自由電子本本征征激激發(fā)發(fā)空穴空穴電子空穴電子電子電子空穴電子電子電子電子電子原理圖P自由電子自由電子結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖磷原子磷原子正離子正離子P+ 在硅或鍺中摻在硅或鍺中摻入少量的五價(jià)元入少量的五價(jià)元素，如磷，則形素，如磷，則形成成N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。多余價(jià)電子多余價(jià)電子電子

2、電子少子少子多子多子正離子正離子在在N N型半導(dǎo)體中，電子是多子，空穴是少子型半導(dǎo)體中，電子是多子，空穴是少子 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅或鍺中摻入三價(jià)元素，如硼,則形成P型半導(dǎo)體。原理圖原理圖BB- 硼原子硼原子負(fù)離子負(fù)離子空穴空穴填補(bǔ)空位填補(bǔ)空位結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖在在P P型半導(dǎo)體中，空穴是多子，電子是少子。型半導(dǎo)體中，空穴是多子，電子是少子。空穴電子電子電子電子電子多子多子少子少子負(fù)離子負(fù)離子 用專門的制造工藝用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單在同一塊半導(dǎo)體單晶上，形成晶上，形成P P型半型半導(dǎo)體區(qū)域和導(dǎo)體區(qū)域和N N型半型半導(dǎo)體區(qū)域，在這兩導(dǎo)體區(qū)域，在這兩個(gè)區(qū)域的交界

3、處就個(gè)區(qū)域的交界處就形成一個(gè)形成一個(gè)PNPN結(jié)。結(jié)。P 區(qū)區(qū)N N 區(qū)區(qū)P區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散并與電子復(fù)合區(qū)擴(kuò)散并與電子復(fù)合N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向 3.PN 3.PN結(jié)結(jié)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向 在一定條件下，多子擴(kuò)散和少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散少子漂移少子漂移P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)EI空間電荷區(qū)變窄空間電荷區(qū)變窄 P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷。抵消一部分負(fù)空間電荷。 N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)電子進(jìn)入空間電荷 區(qū)抵消一部

4、分正空間電荷。區(qū)抵消一部分正空間電荷。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流。外加正向電壓外加正向電壓外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)少子越過少子越過PN結(jié)形成結(jié)形成很小的反向電流很小的反向電流IRE 外加反向電壓外加反向電壓由上述分析可知：由上述分析可知：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦越Y(jié)具有單向?qū)щ娦?即在即在PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，結(jié)上加正向電壓時(shí)，PN結(jié)結(jié)電阻很低，正向電流較大。（電阻很低，正向電流較大。（PN結(jié)處結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)）于導(dǎo)通狀態(tài)） 加反向電壓時(shí)，加反向

5、電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很高，反結(jié)電阻很高，反向電流很小。（向電流很小。（PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)）結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)）切記切記二、二極管二、二極管 1.1.構(gòu)造構(gòu)造 表示符號(hào)表示符號(hào) 面接觸型面接觸型點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型引線引線觸絲觸絲外殼外殼N N型鍺片型鍺片N型硅型硅陽極引線陽極引線PNPN結(jié)結(jié)陰極引線陰極引線金銻合金金銻合金底座底座鋁合金小球鋁合金小球陰極陽極D半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管依據(jù)制作材料分類，二極管主要有鍺二極管和硅二極管兩大類。 依據(jù)用途分類，較常用的二極管有四類： 普通二極管:如2AP等系列，用于信號(hào)檢測(cè)、取樣、小電流整流電路等。 整流二極管:如2CZ、2DZ等系列，廣泛使用在各種電源設(shè)備中

6、做不同功率的整流。 開關(guān)二極管:如2AK、2CK等系列，用于數(shù)字電路和控制電路。 穩(wěn)壓二極管:如2CW、2DW等系列，用在各種穩(wěn)壓電源和晶閘管電路中。第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用數(shù)字表示器件的電極數(shù)目用拼音字母表示器件的材料和極性用漢語拼音字母表示器件的類型用數(shù)字表示器件的序號(hào)用漢語拼音字母表示規(guī)格號(hào)符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義 2二極管AN型鍺材料P普通管C參量管BP型鍺材料Z整流管U光電器件CN型硅材料W穩(wěn)壓管N阻尼管DP型硅材料K開關(guān)管V半導(dǎo)體E化合物L(fēng)整流堆 S特殊器件晶體二極管的型號(hào)晶體二極管的型號(hào)2.2.二極管的伏安特性二極管的伏安特性-20-40-40-20-2

7、50.40.2-5010OO155U/VI/mA604020-50-250.40.8I/mAU/V正向正向反向反向擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓U ( BR)鍺管的伏安特性硅管的伏安特性I/AI/A死區(qū)死區(qū)電壓電壓注 意:死區(qū)電壓：硅管約為：死區(qū)電壓：硅管約為：0.5V,鍺管約為：鍺管約為：0.1V。導(dǎo)通時(shí)的正向壓降：硅導(dǎo)通時(shí)的正向壓降：硅管約為管約為:0.6V-0.8V,鍺管約鍺管約為為:0.2V-0.3V。常溫下，反向飽和電流常溫下，反向飽和電流很小很小.當(dāng)當(dāng)PN結(jié)溫度升高時(shí)，結(jié)溫度升高時(shí)，反向電流明顯增加。反向電流明顯增加。1.正向特性（1不導(dǎo)通區(qū)OA段 當(dāng)二極管兩端的電壓為零時(shí)，電流

8、也為零。當(dāng)電壓開始升高時(shí)，電流很小且基本不變。這一段稱作不導(dǎo)通區(qū)或死區(qū)。與它相對(duì)應(yīng)的電壓叫死區(qū)電壓或門檻電壓），一般硅二極管約0.5V，鍺二極管約0.1V。（2導(dǎo)通區(qū)AB段 通過二極管的電流隨加在兩端的電壓微小的增大而急劇增大，這一段稱作導(dǎo)通區(qū)，一般硅二極管約為0.60.8V，鍺二極管約為0.20.3V。2.反向特性（1反向截止區(qū)OC段。反向電壓開始增加時(shí)，反向電流略有增加，隨后在一定范圍內(nèi)不隨反向電壓增加而增大，通常稱為反向飽和電流。（2反向擊穿區(qū)CD段 當(dāng)反向電壓增大到超過某個(gè)值時(shí)圖中C點(diǎn)），反向電流急劇加大，這種現(xiàn)象叫反向擊穿。C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓叫反向擊穿電壓UBR，其特點(diǎn)是：反向電流變化很

9、大，相對(duì)應(yīng)的反向電壓變化卻很小。硅二極管和鍺二極管的伏安特性之間有一定的差異：(1) 鍺二極管的死區(qū)較小，正向電阻也小，導(dǎo)通電壓低約0.2V）。但受溫度影響大，反向電流也較大。擊穿以后，鍺管兩端電壓變化較大，無穩(wěn)壓特性。(2)硅二極管的死區(qū)較大，正向電阻也較大，導(dǎo)通電壓較高約0.7V）。但受溫度影響小，反向電流也很小。擊穿后，硅管兩端電壓基本不變，有穩(wěn)壓作用。1最大整流電流IFM 常稱額定工作電流，它是指長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過二極管的最大平均電流。2反向擊穿電壓UBR 指二極管加反向電壓時(shí)，當(dāng)反向電流達(dá)到規(guī)定的數(shù)值時(shí)，二極管所加反向電壓就是反向擊穿電壓，它反映二極管反向擊穿狀態(tài)。3最高反向工作電

10、壓峰值URM 常稱額定工作電壓，它是為了保證二極管不致反向擊穿而規(guī)定的最高反向電壓。 特別注意特別注意:溫度升高使正、反向電流增溫度升高使正、反向電流增加，管壓降會(huì)降低，反向擊穿電壓也加，管壓降會(huì)降低，反向擊穿電壓也會(huì)降低會(huì)降低 半導(dǎo)體二極管的選擇半導(dǎo)體二極管的選擇選擇二極管的一般原則是：選擇二極管的一般原則是：(1) (1) 若要求導(dǎo)通后正向壓降小時(shí)，選鍺管；若若要求導(dǎo)通后正向壓降小時(shí)，選鍺管；若要求反向電流小時(shí)，選硅管。要求反向電流小時(shí)，選硅管。(2) (2) 要求工作電流大時(shí)選面接觸型；要求工作要求工作電流大時(shí)選面接觸型；要求工作頻率高時(shí)選點(diǎn)接觸型。頻率高時(shí)選點(diǎn)接觸型。(3) (3) 要

11、求反向擊穿電壓高時(shí)選硅管。要求反向擊穿電壓高時(shí)選硅管。(4) (4) 要求耐高溫時(shí)選硅管。要求耐高溫時(shí)選硅管。二極管應(yīng)用舉例鉗位 將電路中某點(diǎn)的電位值鉗制在選定的數(shù)值上，而不受負(fù)載變動(dòng)影響的電路叫鉗位電路。u0=UG+UV限幅 圖1.2.16二極管限幅電路 特殊二極管特殊二極管1.1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管（1 1穩(wěn)壓管及其伏安特性。穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制穩(wěn)壓管及其伏安特性。穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的面接觸型硅二極管，它在電路中能起穩(wěn)定電壓的作造的面接觸型硅二極管，它在電路中能起穩(wěn)定電壓的作用。用。 穩(wěn)壓管通常工作在反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管通常工作在反向擊穿區(qū)。 （2 2穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

12、穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ:UZ:指穩(wěn)壓管在正常工作時(shí)管子兩端的電壓。指穩(wěn)壓管在正常工作時(shí)管子兩端的電壓。 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ:IZ:指穩(wěn)壓管保持穩(wěn)定電壓指穩(wěn)壓管保持穩(wěn)定電壓UZUZ時(shí)的工作電流時(shí)的工作電流值。值。 最大工作電流最大工作電流IZM :IZM :指穩(wěn)壓管允許流過的最大反向電指穩(wěn)壓管允許流過的最大反向電流。流。(a) 符號(hào) (b) 伏安特性2.發(fā)光二極管 （1結(jié)構(gòu)和工作原理。發(fā)光二極管簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)EDLight Emitting Diode）。當(dāng)管子正向?qū)〞r(shí)將會(huì)發(fā)光。優(yōu)點(diǎn)： 發(fā)光二極管具有體積小、工作電壓低、工作電流1030mA）、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 (a)圖形符號(hào)

13、(b)特性曲線3、光電二極管（1結(jié)構(gòu)與工作原理:光電二極管又叫光敏二極管，它是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件。 光電二極管工作在反偏狀態(tài)下，當(dāng)無光照時(shí)，與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，其反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而增加，稱為光電流。(a)圖形符號(hào)(b)特性曲線半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管BJT ：(雙極型三極管，晶體三極管）雙極型三極管，晶體三極管）Bipolar Junction Transistor 三極管是具有電流放大作用三極管是具有電流放大作用的半導(dǎo)體器件，的半導(dǎo)體器件，1947年在美國年在美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，開創(chuàng)了微的貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，開創(chuàng)了微電子技術(shù)的新時(shí)代。電子

14、技術(shù)的新時(shí)代。 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射極，用發(fā)射極，用E或或e表示表示Emitter）發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)(Je)基極，用基極，用B或或b表示表示Base）集電極，用集電極，用C或或c表示表示Collector）集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū) 集電結(jié)集電結(jié)(Jc)NPNNPN型型 兩種類型的三極管兩種類型的三極管 符號(hào)：箭頭表示發(fā)射結(jié)Je正偏時(shí)發(fā)射極電流的實(shí)際方向，PNNPN型和型和PNP型型由兩個(gè)背靠背的由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)組成的三層雜質(zhì)半導(dǎo)體。結(jié)組成的三層雜質(zhì)半導(dǎo)體。PNP型型NPN型型N 基基 區(qū)區(qū)P集電集電區(qū)區(qū)P發(fā)射發(fā)射區(qū)區(qū) C e bP 基基 區(qū)區(qū)N集電集電區(qū)區(qū)N發(fā)射發(fā)射區(qū)區(qū)集電極

15、集電極 C發(fā)射極發(fā)射極 e基極基極 b集電結(jié)集電結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 發(fā)射區(qū)是重?fù)诫s，其濃度最高； 集電區(qū)面積比發(fā)射區(qū)大，兩區(qū)面積不對(duì)稱，所以不可互換。管芯結(jié)構(gòu)剖面圖 基區(qū)很薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。晶體管的電流放大原理晶體管的電流放大原理IEIBRBEBUBEICEC輸輸入入電電路路輸輸出出電電路路公共端公共端發(fā)射結(jié)正向偏置發(fā)射結(jié)正向偏置集電結(jié)反向偏置集電結(jié)反向偏置NPN NPN 管：管： UBE0 UBE0 UBC0 UBCVBVEVCVBVEPNP PNP 管：管： UBE0 UBE0 UBC0即：即：VCVBVEVCVBVERCUCEBCE共射極放大電路共射極

16、放大電路EBRBIBICECRCNPIEN電子空穴電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子電子空穴電子電子電子發(fā)射區(qū)向基發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子區(qū)擴(kuò)散電子電源負(fù)極向發(fā)射電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成區(qū)補(bǔ)充電子形成發(fā)射極電流發(fā)射極電流IE電子在基區(qū)的電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子集電區(qū)收集電子電子流向電源正電子流向電源正極形成極形成ICEB正極拉走電子，正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成穴，形成IB特性曲線和主要參數(shù)特性曲線和主要參數(shù)IB = f (UBE )UC E = 常數(shù)常數(shù)U

17、CE1VUCE1V場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管是繼三極管之后發(fā)展起場(chǎng)效應(yīng)管是繼三極管之后發(fā)展起來的另一類具有放大作用的半導(dǎo)體器來的另一類具有放大作用的半導(dǎo)體器件。場(chǎng)效應(yīng)管也具有件。場(chǎng)效應(yīng)管也具有PN結(jié)，但工作機(jī)結(jié)，但工作機(jī)理與三極管完全不同，它是利用電場(chǎng)理與三極管完全不同，它是利用電場(chǎng)效應(yīng)控制電流大小。場(chǎng)效應(yīng)管是一種效應(yīng)控制電流大小。場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制型器件，同時(shí)它只有一種載電壓控制型器件，同時(shí)它只有一種載流子參與導(dǎo)電，所以又稱其為單極型流子參與導(dǎo)電，所以又稱其為單極型器件。其特點(diǎn)是輸入阻抗高、噪聲低、器件。其特點(diǎn)是輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工

18、藝簡(jiǎn)單。藝簡(jiǎn)單。BG柵極柵極D漏極漏極SiO2BDGSP型硅襯底型硅襯底S源極源極結(jié)構(gòu)圖電路符號(hào)N+N+N溝道結(jié)型管溝道結(jié)型管DGS漏極漏極D）柵極柵極G）源極源極S）P+P+N溝道溝道三個(gè)電極源極 （S）柵極 （G）漏極 （D）導(dǎo)電溝道連通導(dǎo)電溝道連通源極源極S和漏極和漏極D箭頭方向指箭頭方向指向管內(nèi)向管內(nèi)N溝道溝道D D與與S S之間是兩個(gè)之間是兩個(gè)PNPN結(jié)結(jié)反向串聯(lián)，無論反向串聯(lián)，無論D D與與S S之間加什么極性的電之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近壓，漏極電流均接近于零。于零。(1) UGS =0(1) UGS =0結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖襯底引線襯底引線BUDSID = 0GDSP

19、型硅襯底型硅襯底SiO2柵源電壓對(duì)導(dǎo)電溝柵源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用道的控制作用N+N+(2) 0 UGS UGS(th)(3) UGS UGS(th) 柵極下柵極下P P型半導(dǎo)體表型半導(dǎo)體表面形成面形成N N型導(dǎo)電溝道。型導(dǎo)電溝道。 當(dāng)當(dāng)D D、S S加上正向電壓加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流后可產(chǎn)生漏極電流ID ID 。 N+N+SiO2GDS耗盡層耗盡層BP型硅襯底型硅襯底UGSUDSN型導(dǎo)電溝道ID UGS愈大，導(dǎo)電溝道愈厚愈大，導(dǎo)電溝道愈厚,在在UDS電壓作用下電壓作用下,電流電流ID愈愈大。即通過改變電壓大。即通過改變電壓UGS的大小可以改變漏極電流的大小可以改變漏極電流ID的大的大小。小。 隨著柵極電壓隨著柵極電壓UGS的增加，導(dǎo)電溝道不斷增加的場(chǎng)效的增加，導(dǎo)