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1、本征半导体、杂质半导体、PN结1.1 半导体基础知识半导体基础知识第1页/共39页1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识半导体基础知识半导体基础知识l在物理学中,根据材料的导电能力,可以将他们划分导在物理学中,根据材料的导电能力,可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。l典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge,它们都是,它们都是4价元素。价元素。硅原子硅原子锗原子锗原子硅硅和和锗锗最最外外层层轨轨道道上上的的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。第2页/共39页共价键共价键-价电子在原子间共用,形成共价键价电子在原子间共用,形成共价键束缚电子束缚电子在绝对温度在
2、绝对温度T=0K时,所时,所有的价电子都紧紧束缚在共价有的价电子都紧紧束缚在共价键中,不会成为键中,不会成为自由电子自由电子,因因此本征半导体的导电能力很弱,此本征半导体的导电能力很弱,接近绝缘体。接近绝缘体。一.本征半导体 本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净的的半半导导体体晶晶体体。纯纯度度要要达达到到99.9999999%,常称为,常称为“九个九个9”。本本征征激激发发-当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时,束束缚缚电电子子能能量量增增高高,有有的的电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚,而而参参与与导导电电,成成为为自自由由电电子子。自自由由电电子子产
3、产生生的的同同时时,在在其其原原来的共价键中就出现了一个空位,称为来的共价键中就出现了一个空位,称为空穴空穴。第3页/共39页常温常温300K时:时:电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅:锗:载流子浓度:载流子浓度:B-半导体材料有关的常量Eg-带隙能量的值(eV)T-热力学温度(K)K-玻耳兹曼常数(8610-6 eV/K)注:不同材料的Eg和B值,请看王宏宝等翻译的电子电路分析与设计P10第4页/共39页二.杂质半导体杂质半导体杂质半导体-在本征半导体中掺入某些微量杂质元在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。素后的半导体称为杂质半导体。N型半导体型半导体-在本征半导体中
4、掺入五价杂质元素,在本征半导体中掺入五价杂质元素,例如磷,砷等,称为例如磷,砷等,称为N型半导体。型半导体。多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴 P型半导体型半导体-在本征半导体中掺入三价杂质元素,在本征半导体中掺入三价杂质元素,例如磷,砷等,称为例如磷,砷等,称为N型半导体。型半导体。多数载流子多数载流子空穴少数载流子少数载流子自由电子第5页/共39页杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体P型半导体少子浓度少子浓度本征激发产生,与温度有关本征激发产生,与温度有关多子浓度多子浓度掺杂产生,与温度无关掺杂产生,与温度无关第6页/共39页内电场E因多子浓度差因
5、多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散,促使少子漂移。阻止多子扩散,促使少子漂移。PN结合结合空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三.PN结及其单向导电性 1.PN结的形成结的形成 第7页/共39页2.PN结的单向导电性结的单向导电性(1)加正向电压(正偏)加正向电压(正偏)电源正极接电源正极接P区,负极接区,负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场外电场削弱内电场耗尽层变窄耗尽层变窄扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子扩散形成正向电流多子扩散形成正向电流
6、I F正向电流正向电流 第8页/共39页(2)加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区,负极接区,负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层变宽耗尽层变宽漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I RPN 在一定的温度下,由本征激发产生的在一定的温度下,由本征激发产生的少子浓度是一定的,故少子浓度是一定的,故IR基本上与外加反基本上与外加反压的大小无关压的大小无关,所以称为所以称为反向饱和电流反向饱和电流。但但IR与温度有关。与温度有关。第9页/共39页3.PN结的伏安特性曲线及表达式结的
7、伏安特性曲线及表达式IS-反向饱和电流反向饱和电流UT=kT/q-温度的电压当量温度的电压当量K-玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数1.381023q-电子电荷量电子电荷量1.6109T-热力学温度热力学温度T=300 K:则有:则有UT=26 mV。当 u0当 u0IS第10页/共39页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管 二极管=PN结+管壳+引线NP结构结构:符号符号:阳极+阴极-一一.二极管基本知识二极管基本知识第11页/共39页图1,2,3,4 普通二极管。图5柱形贴片二极管。图6,7贴片二极管外形外形:第12页/共39页1 一般指高压二极管。2 汽车发电机用二极管
8、。3,5 玻璃封装小电流二极管4 砷化镓红外发光二极管。6 激光二极管。7 双二极管。8 大电流二极管模块。9 大电流二极管。10,11 发光二极管数码管第13页/共39页图1,2,3,4,5螺栓大电流二极管。图7,8,9,10,11辫式螺栓大电流二极管第14页/共39页发光二极管外形图第15页/共39页型号型号:国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:2AP9规格规格类型类型-P:为普通管,为普通管,W:稳压管稳压管,Z:为整流管,为整流管,K:开关管。开关管。L:整流管整流管,N:阻尼管阻尼管,U:光电管光电管材料材料-A:N型型Ge,B:P型型Ge
9、,C:N型型Si,D:P型型Si。2代表二极管,代表二极管,3代表三极管。代表三极管。第16页/共39页伏安特性伏安特性:(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压实验曲线uEiVmAuEiVuA导通压降导通压降:硅为硅为0.7 V 锗为锗为0.3V死区电压死区电压:硅为硅为0.5 V,锗为锗为 0.1 V击穿电压UBR锗第17页/共39页主要参数主要参数:(1)最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工作时,允许二极管长期连续工作时,允许通过二极管的最大整流通过二极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。(2)最高反向工作电压最高反向工作电压UR 二极管工作时允许二极管工作时
10、允许外加的最大反向电压外加的最大反向电压(3)反向电流反向电流IR未击穿时的反向电流值。硅为纳安未击穿时的反向电流值。硅为纳安(nA)级;锗为微安级;锗为微安(A)级。级。(4)最高工作频率最高工作频率fM第18页/共39页二二.二极管电路分析方法二极管电路分析方法1.迭代法和图解法迭代法和图解法2.折线法模型折线法模型iu03.交流小信号等效电路交流小信号等效电路IR10VE1kviIR10VE1k第19页/共39页第20页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用1.限幅电路限幅电路单向限幅电路单向限幅电路1第21页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用1.限幅电路限幅电路单向限幅
11、电路单向限幅电路2第22页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用1.限幅电路限幅电路单向限幅电路单向限幅电路3第23页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用1.限幅电路限幅电路单向限幅电路单向限幅电路4第24页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用1.限幅电路限幅电路双向限幅电路双向限幅电路第25页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用2.钳位电路钳位电路1第26页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用2.钳位电路钳位电路2第27页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用3.整流电路整流电路-半波整流半波整流第28页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用
12、3.整流电路整流电路-全波整流全波整流第29页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用3.整流电路整流电路-桥式整流桥式整流第30页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用3.整流电路整流电路-检波检波器器检波器电路第31页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用3.逻辑电路逻辑电路-与门与门第32页/共39页三三.二极管电路应用二极管电路应用3.逻辑电路逻辑电路-或门或门第33页/共39页4.齐纳二极管稳压电路齐纳二极管稳压电路三三.二极管电路应用二极管电路应用第34页/共39页作业作业:3、4、6、7补充:采用下图所示电路设计一个稳压器。要设计的稳压器将用来为汽车收音机提供VL
13、=9V的电压,它的电压源是电压范围在1113.6V之间变化的小汽车电池。要求收音机中的电流范围为0(关断)100mA(满音量)第35页/共39页四四.二极管电路设计举例二极管电路设计举例-直流稳压电源设计直流稳压电源设计设计目的:设计目的:设计符合所需指标要求的直流电源设计指标:设计指标:当输出电压保持在12V12.2V范围时,输出负载电路在2550mA之间变化。设计方案:设计方案:可采用二极管桥式整流电路、RC滤波器以及齐纳二极管并联负载稳压电路。第36页/共39页设计方案:设计方案:稳压管:稳压为12V,电阻2欧,电流范围为10mA100mA的稳压管;变压器:匝数比为10/1整流电路:滤波电路:第37页/共39页作业:计算并选择以下直流电源所用的全部元件;设计指标:当输出电压保持在12V12.2V范围时,输出负载电路在2550mA之间变化仿真稳压电源电路。第38页/共39页感谢您的观看。第39页/共39页
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