电工学知识课件.ppt
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1、关于电工学知识现在学习的是第1页,共94页第第 7 章半导体二极管与整流滤波电路章半导体二极管与整流滤波电路 7.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 7.1.1 半导体的概念半导体的概念 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。自然界中不同的物质,由于其原子结构不同,因而导电能力也各不相同。根据导电能力的强弱,可以把物质分成导体、半导体和绝缘体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间,如硅、锗、砷化镓以及金属氧化物和硫化物等都是半导体。现在学习的是第2页,共94页 7.1.2半导体的特性半导体的特性 1.热敏性热敏性 半导体对温度很敏感。例如纯锗,温度每升高10,它的电阻率就会减小到原来
2、的一半左右。由于半导体的电阻对温度变化的反应灵敏,而且大都具有负的电阻温度系数,所以人们就把它制成了各种自动控制装置中常用的热敏电阻传感器和能迅速测量物体温度变化的半导体点温计等。2.光敏性光敏性 与金属不同,半导体对光和其它射线都很敏感。例如一种硫化镉半导体材料,在没有光照射时,电阻高达几十兆欧;受到光照射时,电阻可降到几十千欧,两者相差上千倍。现在学习的是第3页,共94页 利用半导体的这种光敏特性可以制成光敏电阻、光电二极管、光电三极管以及太阳能电池等。3.掺杂性掺杂性 半导体对杂质很敏感。在纯净半导体中掺进微量的某种杂质,对其导电性能影响极大。例如,在纯净硅中掺入百万分之一的硼,可使其导
3、电能力增加几十万倍以上。现在学习的是第4页,共94页 三、价电子与半导体的共价键结构三、价电子与半导体的共价键结构 1.价电子价电子 自然界的一切物质都是由原子组成的,而原子又是由一个带正电的原子核与若干个带负电的电子所组成的。电子分层围绕原子核作不停的旋转运动,其中内层的电子受原子核的吸引力较大,外层电子受原子核的吸引力较小,外层电子的自由度较大,因此外层的电子如果获得外来的能量,就容易挣脱原子核的束缚而成为“自由电子”。我们把最外层的电子叫做价电子。在电子器件中,用得最多的半导体材料是硅和锗,它们的原子结构如图7-1 所示。硅和锗都是四价元素,其原子最外层轨道上都具有 4 个价电子。现在学
4、习的是第5页,共94页图 7-1原子结构示意图(a)(b)Si14Ge32现在学习的是第6页,共94页 价电子的数目越接近8个,物质的化学结构也就越稳固。对于金属材料,其价电子一般少,因此金属中的价电子很容易变成自由电子,所以,金属是良导体;对于单质绝缘体,其价电子数一般多于4个,因此绝缘体中的价电子均被原子核牢牢地吸引着,很难形成自由电子,所以不能导电;对于半导体来说,原子的价电子数为4个,其原子的外层电子既不像金属那样容易挣脱出来,也不像绝缘体那样被原子核紧紧束缚住,因此半导体的导电性能就比较特殊。现在学习的是第7页,共94页 2.半导体的共价键结构半导体的共价键结构 半导体一般都是晶体结
5、构,最常见的半导体材料是硅和锗。当硅或锗被制成单晶体时,其原子有序排列,每个原子最外层的 4 个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的 4 个原子发生联系。这时,每两个相邻原子之间都共用一对电子,使相邻两原子紧密地连在一起,形成共价键结构,如图 7-2 所示。现在学习的是第8页,共94页图 7-2硅和锗的共价键结构(a)硅(Si);(b)锗(Ge)444444444正离子核大块晶体中的局部结构两个电子的共价键现在学习的是第9页,共94页 7.1.4本征半导体本征半导体 完全纯净的、结构完整的半导体,称为本征半导体。当本征半导体的温度升高或受到光线照射时,其共价键中的价电子就从外界获得
6、能量。由于半导体原子外层的电子不像绝缘体那样被原子核紧紧地束缚着,因此就有少量的价电子在获得足够能量后,挣脱原子核的束缚而成为自由电子,同时在原来共价键上留下了相同数量的空位,这种现象称为本征激发。在本征半导体中,每激发出来一个自由电子,就必然在共价键上留下一空位,我们把该空位称为空穴,由于空穴失去电子,因而空穴带正电。可见自由电子和空穴总是成对出现的,我们称之为电子-空穴对,如图 7-3 所示。现在学习的是第10页,共94页图 7-3电子-空穴对 4由于热激发而产生的自由电子44444444自由电子移走后留下的空穴现在学习的是第11页,共94页 在产生电子-空穴对的同时,有的自由电子在杂乱的
7、热运动中又会不断地与空穴相遇,重新结合,使电子-空穴对消失,这称为复合。在一定温度下载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的,载流子的浓度是一定的。在常温下,本征半导体受热激发所产生的自由电子和空穴数量很少,同时本征半导体的导电能力远小于导体的导电能力,导电能力很差。温度越高,所产生的电子-空穴对也越多,半导体的导电能力也就越强。在外电场的作用下,一方面自由电子产生定向移动,形成电子电流;另一方面价电子也按一定方向依次填补空穴,即空穴产生移动,形成空穴电流。现在学习的是第12页,共94页 在外电场的作用下,一方面自由电子产生定向移动,形成电子电流;另一方面价电子也按一定方向依次填补空穴,即空穴产
8、生移动,形成空穴电流。由于电子和空穴所带电荷的极性相反,它们的运动方向也是相反的,因此形成的电流方向是一致的,流过外电路的电流等于两者之和。综上所述,在半导体中不仅有自由电子一种载流子,而且还有另一种载流子空穴。这是半导体导电的一个重要特性。在本征半导体内,自由电子和空穴总是成对出现的,也就是说,有一个自由电子就必定有一个空穴,因此在任何时候,本征半导体中的自由电子数和空穴数总是相等的。现在学习的是第13页,共94页 7.15 掺杂半导体掺杂半导体 本征半导体中虽然存在两种载流子,但因本征半导体内载流子的浓度很低,所以导电能力很差。在本征半导体中,人为有控制地掺入某种微量杂质,即可大大改变它的
9、导电性能。按照掺入杂质的不同,可获得N型和P型两种掺杂半导体。1.P型半导体型半导体 在本征半导体(硅或锗的晶体)中掺入三价元素杂质,如硼、镓、铟等,因杂质原子的最外层只有3个价电子,它与周围硅(锗)原子组成共价键时,缺少一个电子,于是在晶体中便产生一个穴位。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其它激发条件下获得能量时,就有可能填补这个穴位,使硼原子成为不能移动的负离子,而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子,形成空穴,如图 7-4 所示。现在学习的是第14页,共94页图 7 4P型半导体的共价键结构4邻近的电子落入受主的空位,留下可移动的空穴44434444可移动的空穴受主获得一个电子而形成一个
10、负离子受主原子现在学习的是第15页,共94页 这样,掺入硼杂质的硅半导体中就具有数量相当的空穴,空穴浓度远大于电子浓度,这种半导体主要靠空穴导电,称为P型半导体。掺入的三价杂质原子,因在硅晶体中接受电子,故称受主杂质。受主杂质都变成了负离子,它们被固定在晶格中不能移动,也不参与导电,如图 7-5 所示。此外,在P型半导体中由于热运动还产生少量的电子-空穴对。总之,在P型半导体中,不但有数量很多的空穴,而且还有少量的自由电子存在,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。现在学习的是第16页,共94页图 7-5P型半导体平面模型P型硼离子电子空穴对由硼提供的空穴现在学习的是第17页,共94页 2.N型
11、半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价元素杂质,如磷、锑、砷等。掺入的磷原子取代了某处硅原子的位置,它同相邻的4个硅原子组成共价键时,多出了一个电子,这个电子不受共价键的束缚,因此在常温下有足够的能量使它成为自由电子,如图 7 6 所示。这样,掺入杂质的硅半导体就具有相当数量的自由电子,且自由电子的浓度远大于空穴的浓度。显然,这种掺杂半导体主要靠电子导电,称为N型半导体。由于掺入的五价杂质原子可提供自由电子,故称为施主杂质。每个施主原子给出一个自由电子后都带上一个正电荷,因此杂质原子都变成正离子,它们被固定在晶格中不能移动,也不参与导电,如图 7-7 所示。现在学习的是第18页,共94页图 7
12、-6N型半导体的共价键结构4施主原子提供的多余的电子44454444施主正离子现在学习的是第19页,共94页图 7-7N型半导体平面模型P型硼离子电子空穴对由硼提供的空穴现在学习的是第20页,共94页 此外,在N型半导体中热运动也会产生少量的电子-空穴对。总之,在N型半导体中,不但有数量很多的自由电子,而且也有少量的空穴存在,自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。必须指出,虽然N型半导体中有大量带负电的自由电子,P型半导体中有大量带正电的空穴,但是由于带有相反极性电荷的杂质离子的平衡作用,无论N型半导体还是P型半导体,对外表现都是电中性的。现在学习的是第21页,共94页7.2PN结及其特性结
13、及其特性 单纯的P型或N型半导体仅仅是导电能力增强了,但还不具备半导体器件所要求的各种特性。如果通过一定的生产工艺把一块P半导体和一块N型半导体结合在一起,则它们的交界处就会形成PN结,这是构成各种半导体器件的基础。一、PN结的形成 当P型半导体和N型半导体通过一定的工艺结合在一起时,由于P型半导体的空穴浓度高,电子浓度低,而N型半导体的自由电子浓度高,空穴浓度低,所以交界面附近两侧的载流子形成了浓度差。浓度差将引起载流子的扩散运动,如图7-8(a)所示。现在学习的是第22页,共94页图 7-8PN结的形成P区载流子的扩散运动N区空穴电子(a)内电场方向空间电荷区空穴扩散运动方向(b)P区N区
14、现在学习的是第23页,共94页 有一些电子要从N区向P区扩散,并与P区的空穴复合;也有一些空穴要从P区向N区扩散,并与N区的电子复合。由于电子和空穴都是带电的,因此扩散的结果就使P型半导体和N型半导体原来保持的电中性被破坏。P区一边失去空穴,留下了带负电的杂质离子;N区一边失去电子,留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子虽然也带电,但由于物质结构的关系,它们不能任意移动,因此并不参与导电。这些不能移动的带电粒子集中在P区和N区交界面附近,形成了一个很薄的空间电荷区,这就是PN结。PN结具有阻碍载流子扩散的特性,因此又称为阻挡层。PN结的空间电荷区内的载流子浓度已减小到耗尽程度,因此又称为耗尽层
15、。现在学习的是第24页,共94页 空间电荷形成了一个由右侧指向左侧的内电场,如图7-8(b)所示。内电场的这种方向,将对载流子的运动带来两种影响:一是内电场阻碍两区多子的扩散运动;二是内电场在电场力的作用下使P区和N区的少子产生与扩散方向相反的漂移运动。PN结形成的最初阶段,载流子的扩散运动占优势,随着空间电荷区的建立,内电场逐渐增强,载流子的漂移运动也在加强,最终漂移运动将与扩散运动达到动态平衡。现在学习的是第25页,共94页 二、二、PN结的特性结的特性 如果在PN结上加正向电压(也称正向偏置),即P区接电源正极,N区接电源负极,如图 7-9(a)所示,这时电源产生的外电场与PN结的内电场
16、方向相反,内电场被削弱,使阻挡层变薄,多子的扩散运动大于漂移运动,形成较大的扩散电流,即正向电流。这时PN结的正向电阻很低,处于正向导通状态。正向导通时,外部电源不断向半导体供给电荷,使电流得以维持。如果给PN结加反向电压(也称反向偏置),即N区接电源正极,P区接电源负极,如图 7-9(b)所示,这时外电场与内电场方向一致,增强了内电场,使阻挡层变厚。现在学习的是第26页,共94页图 7-9PN结的单向导电性 空 间 电 荷 区变 窄PN内 电 场外 电 场(a)(b)IFU空 间 电 荷 区 加 宽PN内 电 场外 电 场USS现在学习的是第27页,共94页 这就削弱了多子的扩散运动,增强了
17、少子的漂移运动,从而形成微小的漂移电流,即反向电流。这时PN结呈现的电阻很高,处于反向截止状态。反向电流由少子漂移运动形成,少子的数量随温度升高而增多,所以温度对反向电流的影响很大,这正是半导体器件温度特性差的原因。在一定温度下,反向电流不仅很小,而且基本上不随外加反向电压变化,故称其为反向饱和电流。由此可见,PN结在正向电压作用下,电阻很小,PN结导通,电流可顺利流过;而在反向电压作用下,电阻很大,PN结截止,阻止电流通过。这种现象称作PN结的单向导电性。现在学习的是第28页,共94页7.3 半导体二极管半导体二极管 7.3.1 二极管的结构二极管的结构 半导体二极管是由一个PN结加上引出线
18、和管壳构成的P型半导体一侧的引出线称为阳极或正极,N型半导体一侧的引出线称为阴极或负极。二极管按结构可分为点接触型和面接触型两种。点接触型二极管的构成如图 7-10(a)所示。它的特点是PN结的面积非常小,因此不能通过较大电流;但结面积小,结电容也小,高频性能好,故适用于高频和小功率情况,一般用于检波或脉冲电路,也可用来作小电流整流。现在学习的是第29页,共94页图 7-10半导体二极管结构和符号(a)(b)(c)触丝引线N型锗片外壳铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线现在学习的是第30页,共94页 面接触的二极管的结构如图 7-10(b)所示,它的主要特点是PN结的结面积很大,
19、因而能通过较大的电流;但结电容也大,只能在较低的频率下使用,一般用作整流。二极管的符号如图 7-10(c)所示。二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性 二极管的伏安特性是表征二极管电压和电流关系的曲线。测量晶体二极管伏安特性的电路如图 7-11 所示。改变RP的大小,可以测出不同电压值时所对应的二极管中的电流。把所得的数据画在直角坐标系中,就得到二极管的伏安特性曲线,如图 7-12 所示。现在学习的是第31页,共94页图 7 11 二极管伏安特性测试电路mAVRPR(a)mAVRPR(b)EE现在学习的是第32页,共94页图 7-12 二极管的伏安特性U/VI/mAAB正向特性死区电压I/A
20、UBRCD反向特性击穿O现在学习的是第33页,共94页 1.正向特性正向特性 1)起始段(OA)当二极管为正向接法时,正向电压由0开始增大,由于外加电压较小,外电场还不足以克服PN结的内电场对载流子扩散运动的阻力,所以二极管呈现很大的正向电阻,正向电流很小,几乎等于0。当正向电压超过一定数值后,内电场大为削弱,电流迅速增长。这个一定数值的正向电压称为死区电压,其大小与管子的材料及环境温度有关。一般硅管的死区电压为0.5 V,锗管约为0.2 V。现在学习的是第34页,共94页 2)导通段(AB)如图 7-12 所示,在特性曲线B点以后,二极管在电路中相当于一个开关的导通状态。在正常使用条件下,二
21、极管的正向电流在相当大的范围内变化,而二极管两端电压的变化却不大。小功率管的导通压降约为0.60.7V,锗管约为0.20.3V。2.反向特性反向特性 当二极管两端加反向电压时,反向电流很小,近乎于截止状态,且基本上不随外加电压而变化,如图7-12的OC段所示。对二极管来说,反向电流越小,表明反向特性越好,反向电流越大,表明反向特性越差。一般硅管的反向电流要比锗管小得多。现在学习的是第35页,共94页 3.反向击穿特性反向击穿特性 当反向电压增加到一定数值时(如图 7-12 所示的反向电压由C继续增大到D点时),电流突然剧增,这种现象称为反向击穿。发生击穿所需的反向电压称为反向击穿电压。之所以产
22、生击穿,是因为加在PN结中很强的外电场可以把价电子直接从共价键中拉出来成为载流子,这叫做齐纳击穿。此外,强电场使PN结中的少数载流子获得足够的动能,去撞击其它原子,把更多的价电子从共价键中拉出来,这些撞击出来的载流子,又去撞击更多的原子,如同雪崩一样,这叫做雪崩击穿。上述两种击穿效应能产生大量的电子-空穴对,从而使反向电流剧增。现在学习的是第36页,共94页 无论是齐纳击穿还是雪崩击穿,如果去掉反向电压,二极管仍能恢复工作,这就属于电击穿。如果去掉反向电压,二极管不能恢复工作,说明发生了热击穿,二极管已损坏。热击穿是应该避免的。一般二极管正常工作时,是不允许反向击穿的。而有一些特殊的二极管,如
23、后面要学到的稳压管却常常工作在反向击穿状态。温度对二极管的特性影响较大。当温度升高时,正反向电流都随着增大,特别是反向电流急剧增大;而反向击穿电压则要下降,二极管的导通压降则要降低。现在学习的是第37页,共94页 三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数 晶体二极管的参数规定了二极管的适用范围,它是合理选用二极管的依据。晶体二极管的主要参数有最大整流电流、高反向工作电压、反向电流。1.最大整流电流IFM IFM是指长期工作时,二极管能允许通过的最大正向平均电流值。在选用二极管时,工作电流不能超过它的最大整流电流。现在学习的是第38页,共94页 2.高反向工作电压高反向工作电压URM URM是指
24、二极管工作时所能承受的反向电压峰值,也就是通常所说的耐压值。为了防止二极管因反向击穿而损坏,通常标定的最高反向工作电压要比反向击穿电压低一些。在选用二极管时,加在二极管两端的反向电压峰值不允许超过这一数值,以保证二极管能正常工作,不致于反向击穿而损坏。3.反向电流反向电流IR IR是指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小,二极管的单向导电性越好。由于温度增加,反向电流会急剧增加,所以在使用二极管时要注意温度的影响。现在学习的是第39页,共94页 现简单介绍一下限幅电路。限幅器又称削波器,主要是限制输出电压的幅度。为讨论方便起见,假设二极管V为理想二极管,即正偏导通时,忽略V的正向压降,近似认为
25、V短路;反偏截止时,近似认为V开路。例 7.1 电路如图 7-13(a)所示,输入电压ui的波形如图 7 13(b)所示。画出输出电压uo的波形。解 当ui+5 V时,uo+5 V(V正偏短路);ui+5V时,uoui(V反偏开路)。故可画出输出电压uo的波形,如图7-13(b)所示。现在学习的是第40页,共94页图 7-13例 7.1 电路(a)电路;(b)波形RV 5 Vuiuo 10ui/V 10tuo/V0 5 100t(b)(a)现在学习的是第41页,共94页7.4 特特 殊殊 二二 极极 管管 二极管的类型较多,除前面讨论的普通二极管外,还有若干种特殊二极管,如稳压二极管、光电二极
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