第8章半导体器件

1、第第8 8章章 目录目录第第8 8章章 8 8 1 1 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。 半导体的导电机理不同于其它物质，所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。比如：以它具有不同于其它物质

2、的特点。比如：热敏性、光敏性、掺杂性。热敏性、光敏性、掺杂性。当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，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。会使它的导电能力明显改变。在硅和锗晶在硅和锗晶体中，原子按四体中，原子按四角形系统组成晶角形系统组成晶体点阵，每个原体点阵，每个原子都处在正四面子都处在正四面体的中心，而四体的中心，而四个其它原子位于个其它原子位于四面体的顶点，四面体的顶点，每个原子与其相每个原子与其相临的原子之间形临的原子之间形成成共价键共价键，共用，共用一对价电子。一对价电子。完全纯净的

3、、结构完整的半完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为导体晶体，称为本征半导体本征半导体。本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子+4+4+4+4空穴空穴自由电子自由电子第第8 8章章 8 8 1 1本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理半导体中的电流半导体中的电流:自由电子电流和空穴电流。自由电子电流和空穴电流。第第8 8章章 8 8 1 1+4+4+41. N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入掺入少量的五价元少量的五价元 素素,如磷。如磷。磷原子磷原子+4正离子正离子自由电子自由电子靠自由电子导电的半导体靠自由电子导电的半导体称称N型半导体

4、。型半导体。自由电子的总数大于空穴，自由电子的总数大于空穴，自由电子为多数载流子，自由电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流简称多子，空穴为少数载流子，称为少子。子，称为少子。+5第第8 8章章 8 8 1 1+4+4+42. P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入掺入少量的三价元少量的三价元 素素,如硼。如硼。硼硼原子原子+4负离子负离子空穴空穴靠空穴导电的半导体靠空穴导电的半导体称称P型半导体。型半导体。空穴的总数大于自由电子，空穴的总数大于自由电子，空穴为多数载流子，自由空穴为多数载流子，自由电子为少子。电子为少子。+3第第8 8章章 8 8 1 1杂质半导体的示

5、意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体第第8 8章章 8 8 1 1P 型型N 型型PN结结内电场方向内电场方向1. PN 结的形成结的形成多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子内电场阻碍多数载流子的扩散运动，内电场阻碍多数载流子的扩散运动，加强少数载流子的漂移运动。加强少数载流子的漂移运动。第第8 8章章 8 8 1 1在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半导体，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。结。第第8 8章章 8 8 1 1PN结

6、的形成结的形成内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向RI2 . PN 结的特性结的特性 外加正向电压外加正向电压P 型型N 型型PN结结PN结变薄，结变薄，扩散运动增强，形成较大的正向电流扩散运动增强，形成较大的正向电流 I。PN结所处的状态称为结所处的状态称为正向导通，其特点：正向导通，其特点：PN结正向电流大，结正向电流大，PN结电阻小。结电阻小。E第第8 8章章 8 8 1 1内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向RI 02 . PN 结的特性结的特性 外加反向电压外加反向电压P 型型N 型型PN结结PN结变厚，结变厚，漂移运动增强，扩散运动难以进行，反漂移运动增强，扩散运动难以进行

7、，反 向电流很小向电流很小 I。PN结所处的状态称为结所处的状态称为反向截止，其特点：反向截止，其特点：PN结反向电流小，结反向电流小，PN结电阻大。结电阻大。E第第8 8章章 8 8 1 11.点接触型二极管点接触型二极管PN结面积、结电容小，可通过结面积、结电容小，可通过小电流。用于高频电路及小电小电流。用于高频电路及小电流整流电路。流整流电路。半导体二极管是在一个半导体二极管是在一个PN结两侧加上电极引线而做成的结两侧加上电极引线而做成的+ PN阳极阳极 阴极阴极二极管的符号二极管的符号2.面接触型二极管面接触型二极管PN结面积、结电容大，结面积、结电容大，可通过大电流。用于可通过大电流

8、。用于低频电路及大电流整低频电路及大电流整流电路。流电路。第第8 8章章 8 8 2 2点接触型点接触型二极管按二极管按结构的分类结构的分类面接触型面接触型锗锗 管管二极管按二极管按材料分类材料分类硅硅 管管二极管按二极管按用途分类用途分类普通普通 管管 开关开关 管管 整流整流 管管 正向压降正向压降0.2-0.3正向压降正向压降0.6-0.7第第8 8章章 8 8 2 2半导体二极管图片第第8 8章章 8 8 2 2600400200-0.1-0.200.40.8-50-100I / mAU / V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性I / mAU / V0

9、.40.8-40-802460.10.2锗管的伏安特性锗管的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向特性反向特性死区电压死区电压死区电压死区电压 硅管硅管锗管锗管0.50.2正向电压正向电压 0.6-0.70.2-0.3反向电流反向电流 小小 几微安几微安大大 几百微安几百微安受温度影响受温度影响 小小大大第第8 8章章 8 8 2 2600400200-0.1-0.200.40.8-50-100I / mAU / V反向击反向击穿特性穿特性正向电压正向电压二极管的近似和理想伏安特性二极管的近似和理想伏安特性I / mAU / V01 . 额定正向平均电流额定正向平均电流 IF2 . 正向

10、电压降正向电压降 UF3 . 最高反向工作电压最高反向工作电压 UR4 . 最大反向电流最大反向电流 IRmUR长时间使用时允许通过的最大正向电流长时间使用时允许通过的最大正向电流平均值平均值UF第第8 8章章 8 8 2 2二极管应用举例二极管应用举例二极管限幅电路二极管限幅电路DE3VRuiuouRuD例：下图中例：下图中D为理想二极管为理想二极管, ui = 6 Sin tV, E= 3V,画出画出 uo波形。波形。 t t ui / V Vuo /V63300 2 2 解：解：uiuD=3ui3uo=3V时时D导通导通ui3uo= ui时时D截止截止第第8 8章章 8 8 2 2 t

11、ui / V V630 2 DE3VRuiuRuDDE3V 双向限幅电路双向限幅电路 uo t uo /V03-3第第8 8章章 8 8 2 2u2TRLD1D4D3D2A、工作原理、工作原理uoioabi1i3 to 2 3 uo2U2 to 2 3 2U2 to touoio2U2Im 2 2 3 3 uD1uD3uD4uD2u21.单相桥式整流电路单相桥式整流电路第第8 8章章 8 8 2 2 to to to to 2 3 uouDio 2 3 2U22U22U2Im 2 2 3 3 u2uD1uD3uD4uD2B、电压、电流的计算、电压、电流的计算Uo=0.9U2=Io=UoRL0.

12、9U2RLID=(1/2) Io URM=2U2选用二极管的依据是选用二极管的依据是:ID稍小于稍小于IF (最大整流电流）最大整流电流）URM稍小于稍小于UR（最高反向工作电压）（最高反向工作电压）0 1 U2m sin t d t=Uo负载直流电压负载直流电压负载直流电流负载直流电流二极管平均电流二极管平均电流二极管最大反向电压二极管最大反向电压第第8 8章章 8 8 2 22.有电容滤波的整流电路有电容滤波的整流电路A、工作原理、工作原理u2Tu1RLD1D4D3D2uoioCuc to2U2u2uc第第8 8章章 8 8 2 2Cucu2Tu1RLD1D4D3D2uoio toiDuo

13、2U2o tt1t4t3t2 D1D3D2D4D1D32.有电容滤波的整流电路有电容滤波的整流电路A、工作原理、工作原理第第8 8章章 8 8 2 22U2Io Uo0.9U20.45U2全波整流电容滤波电路的外特性全波整流电容滤波电路的外特性TUo=1.2U2RLC (35)2UCN 2U2B、输出电压及元件参数选择、输出电压及元件参数选择特点：带负载能力差。特点：带负载能力差。适用于输出电压较高，适用于输出电压较高，输出电流较小的场合。输出电流较小的场合。2.有电容滤波的整流电路有电容滤波的整流电路u2Tu1RLD1D4D3D2uoio第第8 8章章 8 8 2 23 有电感滤波的整流电路

14、有电感滤波的整流电路Tuou2RLL tUououo、ioioo 2 3 u1uoIO外特性外特性0.9U2uoo电感电感L L越大，滤波效果越好。越大，滤波效果越好。适用于负载电流较大，且变化大的场合。适用于负载电流较大，且变化大的场合。第第8 8章章 8 8 2 24 复式滤波电路复式滤波电路A、 LC 滤波电路滤波电路Tuou2RLioLCu1LC滤波电路使输出电压波形更为平滑，滤波电路使输出电压波形更为平滑，滤波效果较好。滤波效果较好。第第8 8章章 8 8 2 2Tu2RLu1B B、 型型滤波器滤波器CLCCLC滤波器滤波器CRCCRC滤波器滤波器Tu2RLu1LCCCCRuoio

15、uoio第第8 8章章 8 8 2 2IFUF0正向特性正向特性反向击穿区反向击穿区UZIZminIZmaxDZ正极正极负极负极符号符号伏安特性伏安特性1 .伏安特性、符号及主要参数伏安特性、符号及主要参数第第8 8章章 8 8 3 3IFUF0UZIZminIZmax硅稳压管的主要参数硅稳压管的主要参数 稳定电压稳定电压UZ 最小稳定电流最小稳定电流 IZmin 最大稳定电流最大稳定电流 IZmax 动态电阻动态电阻 rZ IZ UZrZ = IZ UZ 电压温度系数电压温度系数 VZT 最大允许耗散功率最大允许耗散功率PM第第8 8章章 8 8 3 3 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳

16、压管反向工作电流IZ下，所对应下，所对应的反向工作电压。的反向工作电压。 Izmin 电流低于此值时，稳压性能变坏电流低于此值时，稳压性能变坏 IZmax 电流高于此值时，二极管会损坏电流高于此值时，二极管会损坏功率高于此值时，二极管会因结温升高功率高于此值时，二极管会因结温升高 而损坏。而损坏。Uou2RLIou1CDZRUZIRIZUiu2UiUo=UZIZIRURUoA、稳压管稳压电路的工作原理、稳压管稳压电路的工作原理2 .硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路RLIoIRURUo(=UZ)IZURUoUi =UR+UOUi =UR+UO第第8 8章章 8 8 3 3B、电路元件参数的选择、

17、电路元件参数的选择稳压管稳压管UZ=UOIzmax=(2 - 3)IomaxUimax -UoIzmax + IominR(Uimax -Uo)2R限流电阻限流电阻 注意：注意：（1）在稳压电路中，稳压管通常为反接；）在稳压电路中，稳压管通常为反接；（2）使用稳压管时必须串联电阻。）使用稳压管时必须串联电阻。第第8 8章章 8 8 3 3整流整流滤波滤波toutoutoutoutou稳压稳压负载负载直流稳压电源的结构框图直流稳压电源的结构框图变压变压交流电源交流电源第第8 8章章 8 8 3 3工作于工作于状态，无光照时，电路中电流很小；状态，无光照时，电路中电流很小；有光照时，电流会急剧增加

18、。有光照时，电流会急剧增加。EDRL工作于正向偏置状态，正向电流通过时，它会发出工作于正向偏置状态，正向电流通过时，它会发出光来。光来。EDRL第第8 8章章 8 8 3 3+2cw78003113_2_cw7900正输出正输出负输出负输出特点：体积小、使用方便，内部有过电流和过热保护特点：体积小、使用方便，内部有过电流和过热保护电路，使用安全可靠。电路，使用安全可靠。第第8 8章章 8 8 3 3UO = 12VCW7812123CO+UiCi可根据需要，选用可根据需要，选用CW78XX，则，则 Uo= XX V。Ci抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生振荡抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生振荡