电工学课件(第5章)新作

电工学 第五章
半导体器件
电工学
（五）特殊二极管 1、稳压二极管 DZ 稳压二极管又称为稳压管，它是一种特殊 面接触型二极管。其电路符号如图所示。 稳压管的正向特性和反向特性与普通二极管基本相同，只是稳压 管的反向击穿特性更陡一些，这说明当流过稳压管的击穿电流在较 大范围变化时，其两端的电压变化很小，正是利用这一点才使得稳 压管具有稳定电压的特性，所以稳压管正常工作时，要工作在反向 iD(mA) 击穿状态。 稳压管反向击穿是可逆的，当撤掉反 向电压后，稳压管可以恢复正常。但 如果流过稳压管的电流过大，超过稳 UZ 压管的最大允许电流，则稳压管也会 uD(V) 烧坏。因此稳压管在使用时必须串联 IZ 一个合适的限流电阻，以免烧坏。 I
+ + +
+ + +
+ + +
外电场﹥内电场 空间电荷区变窄 扩散运动﹥漂移运动
IF
E
R
产生扩散电流If（由于由多子 产生的，故该电流大。称为正 向电流).
PN结导通时，呈现的电阻为正向电阻，很小。
电工学 第五章 半导体器件
电工学 2、PN结加反向电压截止 加反向电压是指P区接电源的负极，N区接电源的正极
+4 +4 +4
+4
+5
+4
+5
+4
+4
电工学 2.P型半导体 在本征半导体中掺入少量的三价元 素（如硼），不改变原有半导体的 共价键结构。这种半导体被称为P 型半导体。 P型半导体的空穴数量比电子数 量多。空穴被称为多数载流子， 电子被称为少数载流子。 掺入的杂质数量越多，多数载流子的 数量越多，它的导电能力就越强。
8V
0 U th
D1
iD
A D2
3KΩ 5V
∴
UAO=-0.7V
O
电工学 第五章
半导体器件
电工学 [例] 电路如图所示，其中输入电压Ui（t）的波形如图所示，在 0≤t≤5ms的时间内，试绘出输出电压Uo(t)的波形。设二极管是理想 Ui(t)/V Uo(t)/V 的。 D
200Ω
10
200Ω
8 6
电工学 第五章
半导体器件
电工学 半导体器件是电子技术的重要组成部分，它具有体积小、重量轻 、能耗低的特点。 本章介绍最基本的半导体器件——二极管、三极管和MOS场效应 管的基本结构、工作原理、外部特性及主要参数。
第一节 半导体的基本知识
1. 导电能力:介于导体和绝缘体之间。 2. 特性：具有独特的光敏和热敏特性，即当它受到外界光照或 它所处环境的温度发生变化时，其导电能力会发生显著变化。 光敏性 热敏性 掺杂性
iD
0
iD
电工学 当二极管加反向电压时或所加的正向电压小于开启电压时就截止， 且流过二极管的电流为零。 u 二极管的恒压降模型：用一个二极管的理想模 型串联一个值为Uth的电压源组成，其等效模型和 伏安特性如图: uD
iD
Uth
D
[例]二极管电路如图所示，试判断电路中的 二极管是导通还是截止，并求出AO两端的电 压UAO的值，设二极管的管压降为0.7V。 解：D2管截止；D1管导通。 由于D1管导通，而二极管的电压降是0.7V。
电工学
第 5 章 半导体器件
5.1 半导体的基本知识 5.2 半导体二极管 5.3 双极型晶体管
基本要求
1. 了解半导体二极管的基本类型、伏安特 性和主要参数，及其主要特性。 2. 了解稳压二极管的主要特性及其稳压作 用。 3. 了解双极型晶体管的基本类型、特性曲 线和主要参数，理解晶体管的三种工作状态。
PN结的单向导电特性: 外加正向电压时，正向电阻很低，扩散电流大，导通 外加反向电压时，反向电阻很大，漂移电流小，截止 电工学 第五章 半导体器件
电工学 二、 半导体二极管 （一）二极管结构 把PN结用外壳封装起来再加上电极和引出线就构成了半导体 二极管，简称二极管，P区的引出线称为正极或阳极，记作“＋” ；N区的引出线称为负极或阴极，记作“－”。二极管符号如图所 示。 二极管按所用的半导体材料可以分为硅二极 uD 管和锗二极管。按工艺结构可以分为点接触型 iD D 二极管、面接触型二极管和平面型二极管。
二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与 两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个 PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性”。 二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大 致可分为四个区： 当外加正向电压很低时，由于外电场还 不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运 动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。 这一区域称之为死区。
P 区 N 区
-
-
-
E0
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
IR
E
R
外电场与内电场方向相同，空间 电荷层变宽, 因此漂移运动>扩散 运动，由少子形成漂移电流Is ， 由于少数载流子的浓度很低，所 以Is也很小，这个电流通常称为 反向饱和电流，往往可以忽略不 计，所以可以近似地认为PN结加 反向电压时是截止的。
uD
二极管理想模型也称为理想二极管，这个模型会使二极管电路的分 析变得极其简单 ，但当输入信号较大时产生的误差也不是很大。 2．恒压降模型： 当二极管加的正向电压大于或等于二极管的开启电压时就导通， 且导通后的二极管两端的电压降为恒定值，硅管取0.7V，锗管取 0.2V； 电工学 第五章 半导体器件
电工学
（四）二极管的简化电路模型 二极管是非线性器件，因此分析二极管电路比较困难。为了解 决这个难题，通常是在一定的条件下用一个线性电路模型代替二极 管，使分析变得简单，且误差也不大，这个线性电路被称为二极管 的等效电路模型。用的比较多的是理想模型和恒压降模型。 uD 1．二极管的理想模型 该模型是认为二极管加正向电压导通 时压降为零，加反向电压截止时电流为零。
P 区 N 区
E能移动的空穴 为内电场的方向： N区→P区。 不能移动 的负离子
-
-- - - - - -
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
电子 能移动的自 由电子
-
2. 内电场建立 :由于扩散运动，使得在交界面附近本征复合 ,电子 1. 扩散运动 :在 P型半导体与N型半导体的交界面附近，因杂质浓度 4.PN 结形成：当多子的扩散运动与少子的漂移运动达到平衡，空 空穴对消失 ,留下不能移动的负离子和电子 , 形成空间电荷层， 的不同引起扩散运动 (多子运动); 。 间电荷层达到相对稳定，我们把此时的空间电荷层称为 PN结。 3. 漂移运动 : 内电场会削弱多子的扩散，但加强少子的漂移运动 ,推 产生内电场。 动少子越过空间电荷区，进入对方区域(少子运动）。 电工学 第五章 半导体器件
+4
+4
+4
+4
+3
+4
+3
+4
+4
载流子的运动有两种形式： ①扩散运动：由于载流子浓度差异引起的载流子从高浓度区向低 浓度区的运动。 ②漂移运动：载流子受电场作用沿电场力方向的运动。 电工学 第五章 半导体器件
电工学
第二节 半导体二极管
一、PN结及其单向导电特性 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在一块硅片 上，在它们的交界面附近就形成了PN结。PN结具有单向导电性。 （一）PN结的形成 P 区 N 区 不移动的正
E
电工学 （二）PN结的单向导电特性 PN结加不同方向的电压，其导电性能也不同，PN结加正向电压 时导通，而加反向电压时截止，这就是PN结的单向导电特性。 1、PN结加正向电压导通 PN结加正向电压：P区接电源的正极，N区接电源的负极。 正向偏臵 外电场与内电场方向相反
P 区 N 区
-
-
-
E
+ + +
t/ms
Ui(t)
6V
Uo(t)
0
5
0
3
5
t/ms
解：二极管的阴极通过电阻接6V电源的正极，而阳极通过电阻接输入信 号的正极。 ∴当输入电压Ui≤6V时，二极管D处于截止状态，Uo＝6V 显然：当t=0-3ms时，Ui(t)≤6V，∴Uo=6V
当t＝3-5ms时，Ui(t)≥6V，Uo(t)应满足式 在t=3ms时，Uo(t) =6V 在t=5ms时，Ui=10V，代入上式得：Uo＝8V 所以得到输出电压的波形如所以得到输出电压的波形如下所示 。
2．最大反向工作电压UR: UR是二极管工作时允许外加的最大反 向电压，超过此值有可能会引起二极管的反向击穿。为保证二极 管工作的可靠性，一般把UR定义为反向击穿电压UBR的一半。
3．反向电流IR: IR是二极管反向工作且未被击穿时的电流，就是 前面讲的二极管的反向饱和电流。IR越小二极管的单向导电性越 好。IR受温度影响很大。 4. 最大工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工 作频率超过该值，则二极管的单向导电性能将变得较差。 电工学 第五章 半导体器件
电工学 第五章
半导体器件
电工学
正向导通区Hale Waihona Puke 反向截止区的讨论I (mA)
60
40 20 -50 -25
正向 死区导通区
0 0.5 0.8
当外加正向电压大于死区电压时，二 极管由不导通变为导通，电压再继续增 加时，电流迅速增大，而二极管端电压 却几乎不变，此时二极管端电压称为正 向导通电压。 硅二极管的正向导通电压约为0.7V， 锗二极管的正向导通电压约为0.3V。 在二极管两端加反向电压时，将有很 小的、由少子漂移运动形成的反向饱和 电流通过二极管。