电工电子第5章_半导体器件

锗
管 正向压降0.2--0.3V
硅
管 正向压降0.5--0.7V
-
ID / mA
反 向特性：二极管加反向电压
正向特性 IR + UD D R US + -
反向特性
–100 –50
600 400 200
– 0.1
0 0.4 0.8 U / V D
反向击 穿特性
对于理想二极管
D
R +
– 0.2
死区电压
硅管的伏安特性
-
US
5.2.3 二极管的主要参数
1. 最大整流电流IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许 流过二极管的最大正向平均电流。 2. 最高反向工作电压UDRM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电 压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。 3. 反向电流IR 它是指二极管加上给定反向偏置电压时的反 向电流值。 IR越小，二极管的单向导电性越好。
+4
+4
+4
价电子填补空穴 +4 +4
电子移动方向 空穴移动方向 +4 +4 +4
+4
外电场方向
5.1.2 1 . N型半导体
杂质半导体
+4
+4
+4
在硅或锗的晶
体中掺入少量
的五价元 素, 如磷，则形成 N型半导体。
+4 +4 +4
+4 +5
正离子 磷原子
+4
多余价电子
自由电子
+4
虽然在半导体中掺入杂质的数量极微，但对半导体 的导电性能却有很大的影响。例如，在一立方厘米硅晶 体中约有5.11022个硅原子， 室温下本征激发所产生的电 子，空穴对约为 1.43 1010 对。 如果掺入十亿分之一的 磷，即在一立方厘米硅晶体中掺入 5.1 1022 10 －9 = 5.1 1013 个磷原子，就可以提供 5.11013个自由电子，与原来由本 征激发所产生的的自由电子的数量相比，增加了3566倍， 与原来由本征激发所产生的两种载流子的总数相比，增加 了1783倍，因而导电能力大大增强。 另一方面，由于自由电子的增多，增加了空穴与自 由电子复合的机会，原来由本征激发产生的少量空穴又 进一步减少，所以，在掺入五价元素的杂质半导体中， 电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
P区
外电场驱使P空间电荷区变窄 区的空穴进入空间 N区电子进入空间电荷区 电荷区抵消一部分负空间电荷 抵消一部分正空间电荷
N区
I 多子扩散运动增强， 形成较大的正向电流
内电场方向 外电场方向
E
R
(2)外加反向电压
多数载流子的扩散运动难于进行 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 空间电荷区变宽 P区 N区
ui
uR
D
6 3
uD
E 3V
uo
0
2
t
uo/V
3 0 –6 3
解：（1）当ui < 3V时，
D反向偏置，D截止。 uo = ui
（2）当ui > 3V时，

2
t
uR / V

2
D正向偏置，D导通。 uo = E = 3V
0
t
例2：下图是二极管双向限幅电路，D为理想二极管， ui = 6 sin t V, E1= E2= 3V, 试画出 uo波形 。
I
I
O UD
(a) 近似伏安特性
U
O
U
(b) 理想伏安特性
ID / mA
反向特性
–100 –50
600
400 200
正向特性
正向特性：二极管加正向电压
0 0.4 0.8 U / V D
– 0.1
反向击 穿特性
– 0.2
死区电压
ID
+ UD D R US + -
硅管的伏安特性
对于理想二极管
D ID + US R
A
B
C DC
VY= 3.3V.
二极管与门电路
例2：下图中，DA 、DB和DC均为锗管，求下列两种情况下 输出端Y的电位并说明二极管的作用。(1)VA= VB= VC= 3V; (2) VA= 0V, VB= VC= 3V. 解: (2) VA= 0V, VB= VC= 3V
+12v DA DB B C DC VY=0.3V Y
第5章 半导体器件
5.1 半导体的基础知识
5.2 半导体二极管
5.3 硅稳压二极管 5.4 半导体三极管
5.5 绝缘栅型场效应管 5.6 电力半导体器件
5.1
半导体的基础知识
+4 +4
硅原子
5.1.1 本征半导体
+4 纯净的具有晶体 结构的半导体称为本 征半导体。它是共价 键结构。 在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。
t
2 U2
uD2 uD1 uD4 uD3
工作原理：
+
~
+ u
D4
D1
io
RL
D3 D2
–
+ uo
在u 的正半周， D1和D3导通，D2和D4截 止(相当于开路)。电流的通路如图中红色箭头 所示。
~
在u的负半周，D2 和 D4导通， D1和 D3 截止(相 当于开路)，电流的通路如图中绿色箭头所示。
5.2.4 二极管的主要应用
二极管的应用范围很广,它可用作钳位、限幅、整流、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。
例1：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管， 求输出端Y的电位并说明二极管的作用。 解： DA优先导通，则 VY=3–0.3=2.7V DA导通后, DB因反偏而截止, 起隔离作用, DA起钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2.7V。
+4
价电子
+4
+4
+4
+4
+4
本征半导体的共价键结构
自由电子和空穴的形成
+4
+4
+4
成对消失
复合
+4 +4 +4
空 穴
自由电子
本征激发
+4
成对出现
+4 +4
在外电场作用下， 电子和空穴均能 参与导电。 空穴导电的 实质是共价 键中的束缚 电子依次填 补空穴形成 电流。故半 导体中有电 子和空穴两 种载流子。
2. 整流电路
将交流电变成直流电称为整流。 整流电路中最常用的是单相桥式整流电路，它由 四个二极管 D1D4 接成电桥的形式构成。 (1) 电路组成
D4 ~
+ u
D1 RL
io
D3
D2
+ uo
Tr +
a
+
D4
io
D1
u1

u2

d
D3
c
D2
uo
+
RL
2 U2
u2

2 3
o
t

uo
2 U2
在一个周期内，通过电阻的电流方向相同， 在负载上得到的是全波整流电压uo。
+
–
+ u
D4
D1 RL
io
D3
D2
+ uo
电压、电流的计算 由于二极管的正向压降很小， 因此可认为uO 的波形和u 的正 半波是相同的。输出电压的平 均值为 1 U O 2U sintd (t )
2U
b (2) 整流工作原理 u2正半周 a 点电位最高，
b点电位最低。 D1 和D3 导通(相当于短路), D2 和D4 截止(相当于开路)
o io
Im

2
3
t
u2负半周
u
o o

2 2
3 3
t
D
a 点电位最低， b点电位最高。 D2 和D4 导通(相当于短路), D1 和D3 截止(相当于开路)
IR
少数载流子越过PN结 形成很小的反向电流
E
内电场方向 外电场方向
R
PN结的单向导电性：
1、PN结加正向电压：PN结所处的状态称为正向导 通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。 相当于开关闭合 S
2、PN结加反向电压：PN结所处的状态称为反向截 止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。 相当于开关打开
如硼，则形成 P 型半导体。
空穴 填补空位
+4 +4 +4
P 型半导体结构示意图
空穴是多数载流子
负离子 电子是少数载流子
P 型半导体结构示意图
此图中只画出了掺入的三价元素形成的负离子、多 数载流子 和少数载流子。亦未画出硅原子。
1. PN 结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P 型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界 处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。
uO的电压平均值 ：
1 Uo 2
2
3
t
O
2 U2
Uo
0
0

2U 2 sintdt
iO
Im

2
3
t
√2U2 = =0.45U2 UO 负载 的电流平均值 ：IO
uD
0

2
3
t t
二极管承受的最高反向电压：
RL
2 0
2 U2
2
3
U DRM 2U 2
5.2.4 二极管的主要应用
5.1.3 PN 结及其单向导电性
P区
P区的空穴向 N区扩散并与电子复合 空间电荷区
N区
内电场方向 N区的电子向P区扩散并与空穴复合
在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平 衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。
空间电荷区
P区
N区
多子扩散
内电场方向
少子漂移
2. PN 结的单向导电性 (1) 外加正向电压
5.2
正极 引线
半导体二极管
正极引线
5.2.1 二极管的结构和符号
含三价 元素的 金属触丝
P型区
二氧化硅保护层 正极
PN结
P
PN结
N型锗 支架 外壳 负极引线
N型硅
负极引线 面接触型二极管
N
负极
二极管的符号
点接触型二极管
5.2.2 二极管的伏安特性
二极管和PN结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可 见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压 超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称 为死区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V,锗管约为0.1V。 导通时的正向压降，硅管约为0.6V~0.7V,锗管约为0.2~0.3V。
则 DA抢先导通 DB、DC截止
A
VY= 0.3V
DA导通后，DB和DC因反偏 而截止， 起隔离作用； DA起钳位作用，将Y端的电 位钳制在+0.3V。
二极管与门电路
例1：下图是二极管单向限幅电路，D为理想二极管， ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形 。
R
ui / V

2 U2
I / mA
60
I / mA
15
40
20 –50 –25
正向特性
– 50
– 25
10 5
反 0 向 – 0.02 特 击穿电压 性 URBR – 0.04
0.4 0.8 U/V
–0.01 0 0.2 –0.02
0.4U/Vຫໍສະໝຸດ 死区电压硅管的伏安特性
锗管的伏安特性
5.2.2 二极管的伏安特性
在二极管上加反向电压时,反向电流很小。但当反 向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这 种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿 时的电压称为反向击穿电压URBR
R
ui / V
D1 E1 3V E2 3V D2
ui
ur
ud
uo
6 3 0

2
t
uo/V
3 0 –3
解：（1）当ui > 3V时， D1导通，D2截止。 uo = E1 = 3V
t
(2)当 3V < ui < 3V时， D1，D2均截止。 uo = ui
(3)当
ui < 3V时， D1截止，D2导通。 uo =
u
o

2
3
t

0 2 2
2U
uO

2 3

U 0.9U
iO
Im
o
t
式中U是变压器副方交流 电压u的有效值。
截止的二极管所承受的最 高反向电压为
uD
o

2 2
3 3
t
o
2U
t
UDRM 2U
uD2 uD1 uD4 uD3
电压、电流的计算
(a)负载直流电压(直流电压平均值) 2 2 Uo = U2=0.9U2
A B DB DA
Y
R
–12V
例2：下图中，DA 、DB和DC均为锗管，求下列两种情况下 输出端Y的电位并说明二极管的作用。(1)VA= VB= VC= 3V; (2) VA= 0V, VB= VC= 3V.
+12v DA DB VY=3.3V Y
解: (1) VA= VB= VC= 3V
DA、DB、DC都导通
I / mA
60
I / mA
15
40
20 –50 –25
正向特性
– 50
– 25
10 5
反 0 向 – 0.02 特 击穿电压 性 URBR – 0.04
0.4 0.8 U/V
–0.01 0 0.2 –0.02
0.4
U/V
死区电压
硅管的伏安特性
锗管的伏安特性
二极管的近似伏安特性和理想伏安特性 (a)当电源电压与二极管导通时的正向电压降相差不 多时，正向电压降不可忽略，可采用近似伏安特性 (b)当电源电压远大于二极管导通时的正向电压降时， 则可将二极管看成理想二极管，可采用理想伏安特性
N 型半导体结构示意图 少数载流子 多数载流子
正离子
此图中只画出了掺入的五价元素形成的正离子、多 数载流子 和少数载流子。未画出硅原子。 在N型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。
2. P型半导体
在硅或锗的晶 体中掺入少量
+4 +4 +4
负离子 硼原子
+4 +4 +3 +4
的三价元素，
E2 = 3V
2.二极管整流 将交流电变成直流电称为整流。
u2
2 U2
（1）单相半波整流电路
D
o

uo
2 U2
2
3
t
T
u1
u u2 D
io
RL
uo
io
o

2
3
t
Im
o
uD
o
2 U2

2
3
t t

2
3
T
D
u1