电工电子全套课件

(10-8)
空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4 束缚电子
(10-9)
2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。
iD
Q
iD
u D rD iD
显然，rD是对Q附近的微小 变化区域内的电阻。
uD
UD
uD
(10-30)
6. 二极管的极间电容（结电容）
二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成： 势垒电容CB和扩散电容CD。
当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相 应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随 之变化，就像电容充放电一样。
硅和锗的晶 体结构：
(10-5)
硅和锗的共价键结构
+4 +4表示除 去价电子 后的原子
+4
共价键共
用电子对
+4 +4
(10-6)
形成共价键后，每个原子的最外层电子是 八个，构成稳定结构。
+4 +4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
(10-11)
6.1.2 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。
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）。
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）。
(10-12)
(10-28)
4. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大，说明管子的单向导电性 差，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。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。
(10-29)
5. 微变电阻 rD
rD 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： ID
+ + +
+ + + IR
度是一定的，故－ IR基本上与 － － － 外加反压的大小无关，所 以称为反向饱和电流。但IR
内电场 E
与温度有关。
EW
R
(10-24)
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。
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的
半导体原子形成共价键时， 产生一个空穴。这个空穴 可能吸引束缚电子来填补， 使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。
空穴
+4
+4
+3
+4
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
(10-4)
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成 晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心， 而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子 与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价 电子。
势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是势垒电容。
(10-31)
当外加正向电压不 同时，PN结两侧堆积 的少子的数量及浓度 梯度也不同，这就相 当电容的充放电过程。
扩散电容：为了形成正向 电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区 有浓度差，越靠近PN结浓 度越大，即在P 区有电子 的积累。同理，在N区有空 穴的积累。正向电流大， 积累的电荷多。这样所产 生的电容就是扩散电容.
(10-25)
6.3 半导体二极管 6.3.1基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
点接触型
触丝线 PN结
引线
外壳线
基片
面接触型
二极管的电路符号：
+ 阳极 阴极
P
N
(10-26)
6.3.2 伏安特性
I
导通压降: 硅 管0.6~0.7V,锗 管0.2~0.3V。
死区电压 硅管 0.5V,锗管0.1V。
+4 +5
+4
N 型半导体中
的载流子是什 么？
+4
1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。 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）。
(10-14)
二、P 型半导体
(10-2)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 具有不同于其它物质的特点。 1.掺杂性 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的 导电能力明显改变。
2.热敏性和光敏性 当受外界热和光的作用时，它的导电能力 明显变化。
(10-3)
6.1.1 本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体） 一、本征半导体的结构特点
(10-36)
稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 UZ （2）电压温度系数U（%/℃） 稳压值受温度变化影响的的系数。 （3）动态电阻
rZ
U Z I Z
（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功耗
PZM U Z I Z max
(10-37)
在电路中稳压管只有与适当的电阻连接才 能起到稳压作用。
ui t
ui
RL
uo
uo t
(10-34)
二极管的应用举例2： ui
ui
R
uR
RL uo
uR
t
tΒιβλιοθήκη Baidu
uo
t
(10-35)
6-2 特殊二极管
6.2.1 稳压二极管 +
动态电阻：
曲线越陡， 电压越稳 定。 UZ
I
rZ
U Z I Z
稳压 误差 UZ
IZ IZ
U
rz越小，稳
压性能越 好。
IZmax
反向击穿 电压UBR
U
(10-27)
6.3.3 主要参数 1. 最大整流电流 IOM
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。
2. 反向工作峰值电压UBWM
保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。
3. 反向击穿电压UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流 剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热 而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一 般是UBR的一半。
解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电 流为Izmax
UZ i I zmax 25m A RL 1.2u i iR Uz 25R 10
——方程1
(10-39)
令输入电压降到下限 时，流过稳压管的电 流为Izmin 。
(10-10)
本征半导体中电流由两部分组成：
1. 自由电子移动产生的电流。
2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。
（在本征半导体中 自由电子和空穴成对出现，同时 又不断的复合）
V0
－ － － － － －
P型区
空间 电荷 区
N型区
(10-21)
小
结
1.空间电荷区中没有载流子。 2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴.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）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。
(10-22)
6.2.2 PN结的单向导电性
N 型半导体
+ +
+ + + + + +
+
+ + +
+ + + + + + + + + + + +
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽。
(10-19)
漂移运动
P型半导体
－ － － － － － +
内电场E
N 型半导体
+ + + + +
+ + + + + +
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
(10-17)
6.2 PN结
6.2.1 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
(10-18)
内电场越强，漂移运动 越强，而漂移使空间电 荷区变薄。
漂移运动 内电场E
P 型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
P区
耗尽层
N区
+
－
P 区中电子 浓度分布
N 区中空穴 浓度分布
Ln
x
Lp
电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来
(10-32)
CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置 时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。
PN结高频小信号时的等效电路：
rd
势垒电容和扩散电 容的综合效应
(10-33)
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。 二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0 二极管的应用举例1：二极管半波整流
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷， 晶体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。
(10-13)
多 余 电 子 磷原子
I
I
R
UZ
Ui IZ
UZ RL
U0
UZ
IZ IZ IZmax
U
(10-38)
稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数: U z 10V, I zmax 20mA, I zmin 5mA
RL 2k
i ui
R DZ
iL
iZ
RL
uo
要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压 基本不变。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
第6 章 半导体器件
(10-1)
6-1 PN结及半导体二级管
6.1 半导体的导电特性
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体， 金属一般都是导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和 绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、 砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
－
+
内电场 E
EW
R
(10-23)
(2)
加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场→耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I
P
R
空 间 电 荷 区
N
－ － － 在一定的温度下， － － － 由本征激发产生的少子浓
－ －
+ + +
+ + +
+ +
+
+ + + +
+ + + + +
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 扩散运动 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。
(10-20)
电位V
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
(10-7)
二、本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电 子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可 以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能 力为 0，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流I
F
P型半导体 空间电荷区 N型半导体 － － － － － － － － － － + + + + + + + + + +
正向电流 + －
(10-15)
三、杂质半导体的符号
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+
+
+
+
+
+
P 型半导体
N 型半导体
(10-16)
总
结
1. 本征半导体中受激产生的电子很少。 2.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供 的电子，N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也 能形成电流，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。 3.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。