电子技术基础模拟部分康华光版.ppt
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第一章半导体二极管和三极管,本章主要内容:
半导体基础知识;半导体二极管;晶体三极管;场效应管,重点掌握:
1.半导体器件的外特性;2.器件的主要参数,1半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,一、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
本征半导体是纯净(99.99999%的晶体结构的半导体。
1、什么是半导体?
什么是本征半导体?
导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。
绝缘体惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。
半导体硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素,它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
四价单晶Si、Ge,2、本征半导体的结构,由于热运动,具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。
共价键,一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。
(补充浓度公式),补充内容:
外加电场时,带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。
由于载流子数目很少,故导电性很差。
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体?
3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。
温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。
热力学温度0K时不导电。
二杂质半导体,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。
其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
P型半导体:
空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。
N型半导体:
自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。
(一)、N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑),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,其中四个与相邻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,很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。
每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。
多余电子,磷原子,N型半导体中的载流子是什么?
1.由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。
2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。
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。
自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。
?
问题:
磷(P),杂质半导体主要靠多数载流子导电。
掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。
多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了?
少了?
为什么?
(二)、P型半导体,空穴,硼原子,P型半导体中空穴是多子,电子是少子。
?
问题:
硼(B),多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强,,在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗?
少子与多子变化的数目相同吗?
少子与多子浓度的变化相同吗?
结论:
对于杂质半导体,多子的浓度越高,少子的浓度就越低。
多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度,故受温度变化的影响很小;少子由本征激发而成,尽管其浓度很低,但温度变化时,其浓度的变化很大。
故少子对器件性能的影响却不“少”。
(三)、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。
近似认为多子与杂质浓度相等。
问题:
杂质半导体为何呈现电中性?
N型:
自由电子数目=空穴数目+正离子数目,P型:
空穴数目=自由电子数目+负离子数目,按一定的制造工艺,将P、N型半导体制作在同一块硅片上,其界面形成PN结、,三、PN结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。
气体、液体、固体均有之。
P区空穴浓度远高于N区。
N区自由电子浓度远高于P区。
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低,产生内电场。
1.PN结的形成:
PN结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡,就形成了PN结。
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。
内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。
P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。
内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。
空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,1.空间电荷区中载流子很少,可忽略,又称该区为耗尽层。
2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区中的电子(都是多子)向对方运动(扩散运动)。
3.P区中的电子和N区中的空穴(都是少子),数量有限,因此由它们形成的电流很小。
注意:
2.PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是:
P区加正、N区加负电压。
PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是:
P区加负、N区加正电压。
PN结的单向导电性,PN结加正向电压导通:
耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,形成多子扩散电流(几个mA-几A),PN结处于导通状态。
PN结加反向电压截止:
耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成少子漂移电流Is(也称反向饱和电流:
温度一定,少子浓度一定,Is一定。
一般情况下:
Si为nA级;Ge为A级)由于电流很小,故可近似认为其截止。
必要吗?
结论:
PN结加正向电压时,具有较大的正向扩散电流,呈现低电阻,PN结导通;PN结加反向电压时,具有很小的反向漂移电流,呈现高电阻,PN结截止。
由此可以得出结论:
PN结具有单向导电性。
3.PN结的伏安特性曲线及伏安方程,根据实际测试数据,PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IR(少子漂移),反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,补充分析:
根据理论分析:
u为PN结两端的电压降,i为流过PN结的电流,IS为反向饱和电流,UT=kT/q称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数1.381023J/Kq为电子电荷量1.61019CT为热力学温度对于室温(相当T=300K)则有UT=26mV。
当u0uUT时,当u|UT|时,四、PN结的电容效应,1.势垒电容,PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容Cb。
2.扩散电容,PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。
结电容:
结电容不是常量!
若PN结外加电压频率高到一定程度,则失去单向导电性!
问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体,导电性能极差,又将其掺杂,改善导电性能?
为什么半导体器件的温度稳定性差?
是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素?
为什么半导体器件有最高工作频率?
2半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的主要参数,四、二极管的等效电路,五、稳压二极管,一、二极管的组成,将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。
小功率二极管,大功率二极管,稳压二极管,发光二极管,一、二极管的组成,点接触型:
结面积小,结电容小,故结允许的电流小,最高工作频率高。
面接触型:
结面积大,结电容大,故结允许的电流大,最高工作频率低。
平面型:
结面积可小、可大,小的工作频率高,大的结允许的电流大。
二、二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
从二极管的伏安特性可以反映出:
1.单向导电性,2.伏安特性受温度影响,T()在电流不变情况下管压降u反向饱和电流IS,U(BR)T()正向特性左移,反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,下降约2mv/1,!
三、主要参数,1.最大整流电流IF,二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。
超过该值,可导致热损坏。
2.最高反向工作电压UR,二极管长期运行时,允许的最高反向工作电压。
手册上:
3.反向电流IR,指二极管加反向电压未击穿时的反向电流。
反向电流越小越好。
硅管的反向电流较小,锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。
4.最高工作频率fM:
二极管工作的上限频率,与Cj有关,5.直流电阻RD,Q点:
二极管在直流偏置电路中所确定的静态工作点。
几何意义:
割线斜率之倒数。
注:
D值与点位置有关。
一般小功率管的值:
几百几,可用万用表的欧姆档粗判管子性能好坏、极性、及,以上均是二极管的直流参数,二极管的应用是主要利用它的单向导电性,主要应用于整流、限幅、保护等等。
下面介绍两个交流参数。
.微变(或交流)电阻r,uD,是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比:
图解法,解析法,几何意义:
点切线斜率之倒数,二极管的极间电容,显然,rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。
的值很小,约几几十,势垒电容和扩散电容的综合效应,补充:
二极管电路的图解分析法,四、二极管的等效电路,理想二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路!
1.将伏安特性折线化(指导思想),?
100V?
5V?
1V?
2.微变等效电路,Q越高,rd越小。
当二极管在静态基础上有一动态信号作用时,则可将二极管等效为一个电阻,称为动态电阻,也就是微变等效电路。
ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,【补充:
】,二极管电路分析举例:
1.静态分析,例1:
求VDD=10V时,二极管的电流ID、电压VD值。
解:
1.理想模型,正向偏置时:
管压降为0,电阻也为0。
反向偏置时:
电流为0,电阻为。
2.恒压降模型,当iD1mA时,vD=0.7V。
3.实际模型,2.限幅电路,ViVR时,二极管导通,vo=vi。
ViVR时,二极管截止,vo=VR。
例2:
理想二极管电路中vi=VmsintV,求输出波形v0。
解:
3.开关电路,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,0V0V,导通导通,导通截止,截止导通,截止截止,0V5V,5V0V,5V5V,0V,0V,0V,5V,例11:
求vI1和vI2不同值组合时的v0值(二极管为理想模型)。
解:
例9:
判别二极管是导通还是截止。
+9V-,+1V-,+2.5V-,+12.5V-,+14V-,+1V-,截止,截止,解:
导通,4.整流电路:
正半周:
D1、D3导通D2、D4截止,负半周D2、D4导通D1、D3截止,例4求整流电路的输出波形。
解:
例5:
实际模型,求
(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V时,输出v0的值。
(2).Vi=6sintV时,输出v0的波形。
解:
(1).,vI=4V时,D导通。
vI=0V时,D截止。
v0=vI,vI=6V时,D导通。
(2).Vi=6sintV(理想模型),折线模型,例6:
理想二极管电路中vi=VmsintV,求输出波形v0。
ViV1时,D1导通、D2截止,Vo=V1。
ViV2时,D2导通、D1截止,Vo=V2。
V2ViV1时,D1、D2均截止,Vo=Vi。
例7:
画出理想二极管电路的传输特性(VoVI)。
解:
VI25V,D1、D2均截止。
VI25V,D1导通,D2截止。
VI137.5V,D1、D2均导通。
VO=25V,VO=100V,137.5,例8:
画出理想二极管电路的传输特性(VoVI)。
当VI0时D1导通D2截止,当VI0时D1截止D2导通,已知二极管D的正向导通