半导体二极管与直流稳压电源-课件

6、1半导体的基本知识第6章半导体及其常用器件6、2半导体二极管6、3特别二极管6、4双极型三极管6、5单极型三极管6、1半导体的基本知识第6章半导体及其常用器件6、2半导学习目的与要求

了解本征半导体、P型和N型半导体的特征;了解PN结的形成过程;熟悉二极管的伏安特性及其种类、用途;深刻理解晶体管的电流放大原理,掌握晶体管的输入和输出特性;了解场效应管的结构组成及工作原理,初步掌握工程技术人员必需具备的分析电子电路的基本理论、基本知识和基本技能。学习目的与要求了解本征半导体、P型和N型半导体的特6、1半导体的基本知识

物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体三大类。金属导体的电导率一般在105s/cm量级;塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级;半导体的电导率则在10-9~102s/cm量级。

半导体的导电能力尽管介于导体和绝缘体之间,但半导体的应用却极其广泛,这是由半导体的独特性能决定的:1、半导体的独特性能光敏性——半导体受光照后,其导电能力大大增强;热敏性——受温度的影响,半导体导电能力变化特别大;掺杂性——在半导体中掺入少量特别杂质,其导电能力极大地增强;半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。6、1半导体的基本知识物质按导电能力的不同可分为导2、本征半导体和杂质半导体(1)本征半导体

最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素,即每个原子最外层电子数为4个。++Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图Si+4Ge+4因为原子呈电中性,因此简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。2、本征半导体和杂质半导体(1)本征半导体最常用的

天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯,形成晶格结构完全对称的本征半导体。

本征半导体原子核最外层的价电子都是4个,称为四价元素,它们排列成特别整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格结构中,每一个原子均与相邻的四个原子结合,即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对,构成共价键结构。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4实际上半导体的晶格结构是三维的。晶格结构共价键结构天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看,每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用,因此稳定性并不能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位,叫空穴。

受光照或温度上升影响,共价键中价电子的热运动加剧,一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。

由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。

本征激发的结果,造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生,由此本征半导体的电中性被破坏,使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。

由于共价键是定域的,这些带正电的离子可不能移动,即不能参与导电,成为晶体中固定不动的带正电离子。＋＋＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看,每＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或温度上升影响,共价键中其它一些价电子直截了当跳进空穴,使失电子的原子重新恢复电中性。

价电子填补空穴的现象称为复合。此时整个晶体带电不？为什么？

参与复合的价电子又会留下一个新的空位,而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上,这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移,为区别于本征激发下自由电子载流子的运动,我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或温度上升影响,共

半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别:金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电;而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反,即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4

自由电子载流子运动能够形容为没有座位人的移动;空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的,且在一定温度下达到动态平衡。半导体的导电机理半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别:＋4＋(2)杂质半导体

本征半导体尽管有自由电子和空穴两种载流子,但由于数量极少导电能力仍然特别低。假如在其中掺入某种元素的微量杂质,将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。+五价元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P掺入磷杂质的硅半导体晶格中,自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。

在室温情况下,本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时,电子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体,也叫做N型半导体。(2)杂质半导体本征半导体尽管有自由电子和空穴两种载流子＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+掺入硼杂质的硅半导体晶格中,空穴载流子的数量大大增加。因此空穴是这种半导体的导电主流。

一般情况下,杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数载流子数量的1010倍或更多,因此,杂质半导体比本征半导体的导电能力可增强几十万倍。

掺入三价元素的杂质半导体,由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体,也叫做P型半导体。在P型半导体中,多数载流子是空穴,少数载流子是自由电子,而不能移动的离子带负电。－＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+掺入

不论是N型半导体依然P型半导体,其中的多子和少子的移动都能形成电流。然而,由于多子的数量远大于少子的数量,因此起主要导电作用的是多数载流子。注意:掺入杂质后尽管形成了N型或P型半导体,但整个半导体晶体仍然呈电中性。一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。P型半导体中的空穴多于自由电子,是否意味着带正电？自由电子导电和空穴导电的区别在哪里？空穴载流子的形成是否由自由电子填补空穴的运动形成的？

何谓杂质半导体中的多子和少子

？N型半导体中的多子是什么？少子是什么？想想练练不论是N型半导体依然P型半导体,其中的多子和少子的注3、PN结及其形成过程PN结的形成

杂质半导体的导电能力尽管比本征半导体极大增强,但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中,PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点。在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区内电场3、PN结及其形成过程PN结的形成杂质半导体的导电动画演示动画演示PN结形成的过程中,多数载流子的扩散和少数载流子的漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势,扩散运动的结果使PN结加宽,内电场增强;另一方面,内电场又促使了少子的漂移运动:P区的少子电子向N区漂移,补充了交界面上N区失去的电子,同时,N区的少子空穴向P区漂移,补充了原交界面上P区失去的空穴,显然漂移运动减少了空间电荷区带电离子的数量,削弱了内电场,使PN结变窄。最后,扩散运动和漂移运动达到动态平衡,空间电荷区的宽度基本稳定,即PN结形成。PN结内部载流子基本为零,因此导电率特别低,相当于介质。但PN结两侧的P区和N区导电率特别高,相当于导体,这一点和电容比较相似,因此说PN结具有电容效应。PN结形成的过程中,多数载流子的扩散和少数载流子的漂4、PN结的单向导电性4、PN结的单向导电性PN结反向偏置时的情况PN结反向偏置时的情况PN结的单向导电性

PN结的上述“正向导通,反向截止”作用,说明它具有单向导电性,PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。

由于常温下少数载流子的数量不多,故反向电流特别小,而且当外加电压在一定范围内变化时,反向电流几乎不随外加电压的变化而变化,因此反向电流又称为反向饱和电流。反向饱和电流由于特别小一般能够忽略,从这一点来看,PN结对反向电流呈高阻状态,也就是所谓的反向截止作用。

值得注意的是,由于本征激发随温度的升高而加剧,导致电子—空穴对增多,因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一,因此,在设计电路时,必须考虑温度补偿问题。PN结中反向电流的讨论PN结的单向导电性PN结的上述“正向导通,反向截止2、半导体受温度和光照影响,产生本征激发现象而出现电子、空穴对;同时,其它价电子又不断地“转移跳进”本征激发出现的空穴中,产生价电子与空穴的复合。在一定温度下,电子、空穴对的激发和复合最终达到动态平衡状态。平衡状态下,半导体中的载流子浓度一定,即反向电流的数值基本不发生变化。1、半导体中少子的浓度尽管特别低,但少子对温度特别敏感,因此温度对半导体器件的性能影响特别大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓度,因此说多子的数量基本上不受温度的影响。4、PN结的单向导电性是指:PN结的正向电阻特别小,因此正向偏置时多子构成的扩散电流极易通过PN结;同时PN结的反向电阻特别大,因此反向偏置时基本上能够认为电流无法通过PN结。3、空间电荷区的电阻率特别高,是指其内电场阻碍多数载流子扩散运动的作用,由于这种阻碍作用,使得扩散电流难以通过空间电荷区,即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。学习与归纳2、半导体受温度和光照影响,产生本征激发现象而出现电子、空5、PN结的反向击穿问题PN结反向偏置时,在一定的电压范围内,流过PN结的电流特别小,基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时,反向电流会急剧增加,这种现象称为PN结反向击穿。反向击穿发生在空间电荷区。击穿的原因主要有两种:

当PN结上加的反向电压大大超过反向击穿电压时,处在强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格,将价电子碰撞出来,产生电子空穴对,新产生的载流子又会在电场中获得足够能量,再去碰撞其它价电子产生新的电子空穴对,如此连锁反应,使反向电流越来越大,这种击穿称为雪崩击穿。产生雪崩击穿的电场比较大,外加反向电压相对较高。通常出现雪崩击穿的电压大约在7V以上。

(1)雪崩击穿5、PN结的反向击穿问题PN结反向偏置时,在一

当PN结两边的掺杂浓度特别高,阻挡层又特别薄时,阻挡层内载流子与中性原子碰撞的机会大为减少,因而可不能发生雪崩击穿。(2)齐纳击穿

当PN结特别薄时,即使在阻挡层两端加的反向电压不太大,也会产生一个比较强的内电场。这个内电场足以把PN结内中性原子的价电子从共价键中拉出来,产生出大量的电子—空穴对,使PN结反向电流剧增,这种反向击穿现象称为齐纳击穿齐纳击穿。可见,齐纳击穿发生在高掺杂的PN结中,相应的击穿电压较低,一般小于5V。

雪崩击穿是一种碰撞的击穿,齐纳击穿是一种场效应击穿,二者均属于电击穿。电击穿过程通常可逆,即PN结两端的反向电压降低后,PN结仍可恢复到原来状态。利用电击穿时PN结两端电压变化特别小电流变化特别大的特点,人们制造出工作在反向击穿区的稳压管。当PN结两边的掺杂浓度特别高,阻挡层又特别薄时,阻挡

当PN结两端加的反向电压过高时,反向电流会接着急剧增长,PN结上热量不断积累,引起结温升高,载流子增多,反向电流一直增大下去,结温一再持续升高循环,超过其容许值时,PN结就会发生热击穿而永久损坏。热击穿的过程是不可逆的,因此应尽量幸免发生。(3)热击穿能否说出PN结有何特性？半导体的导电机理与金属导体有何不同？什么是本征激发？什么是复合？少数载流子和多数载流子是如何产生的

？

试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成PN结的永久损坏

？想想练练

空间电荷区的电阻率为什么很高？当PN结两端加的反向电压过高时,反向电流会接着急剧(6、2半导体二极管

把PN结用管壳封装,然后在P区和N区分别向外引出一个电极,即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。依照其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管

电子工程实际中,二极管应用得特别广泛,上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。6、2半导体二极管把PN结用管壳封装,然后在P1、二极管的基本结构和类型点接触型:结面积小,适用于高频检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。外壳触丝N型锗片正极引线负极引线N型锗面接触型:结面积大,适用于低频整流器件。负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线普通二极管图符号稳压二极管图符号发光二极管图符号DDZD

使用二极管时,必须注意极性不能接反,否则电路非但不能正常工作,还有毁坏管子和其他元件的估计。1、二极管的基本结构和类型点接触型:结面积小,适用于外2、二极管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(A)4020

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:

外加正向电压超过死区电压(硅管0、5V,锗管0、1V)时,内电场大大削弱,正向电流迅速增长,二极管进入正向导通区。死区正向导通区反向截止区

当外加正向电压特别低时,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,故正向电流特别小,几乎为零。这一区域称之为死区。

外加反向电压超过反向击穿电压UBR时,反向电流突然增大,二极管失去单向导电性,进入反向击穿区。反向击穿区反向截止区内反向饱和电流特别小,可近似视为零值。2、二极管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I正向导通区和反向截止区的讨论U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区

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,电压再接着增加时,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,将有特别小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。

反向电流有两个特点:一是它随温度的上升增长特别快,二是在反向电压不超过某一范围时,反向电流的大小基本恒定,而与反向电压的高低无关(与少子的数量有限)。因此通常称它为反向饱和电流。正向导通区和反向截止区的讨论U(V)0.500.8-50-23、二极管的主要参数

(1)最大整流电流IDM:指二极管长期运行时,允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。

(2)最高反向工作电压URM:指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反射工作电压值。

(3)反向电流IR:指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小,二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化较大,这一点要特别加以注意。

(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将变差。3、二极管的主要参数(1)最大整流电流IDM:指二极4、二极管的应用举例注意:分析实际电路时为简单化,通常把二极管进行理想化处理,即正偏时视其为“短路”,截止时视其为“开路”。UD=0UD=∞正向导通时相当一个闭合的开关+－+－+－D+－D+－+－DPN+－反向阻断时相当一个打开的开关+－DPN(1)二极管的开关作用4、二极管的应用举例注意:分析实际电路时为简单化,通常把二(2)二极管的限幅作用+－DuS10KΩ

IN4148+－u0iD

图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲,高电平幅值为+5V,低电平幅值为-5V。试分析电路的输出电压为多少。分析uS+5V-5Vt0当输入电压ui=－5V时,二极管反偏截止,此时电路可视为开路,输出电压u0=0V;

当输入电压ui=+5V时,二极管正偏导通,导通时二极管管压降近似为零,故输出电压u0≈+5V。

显然输出电压u0限幅在0~+5V之间。u0练习P146例6-2(2)二极管的限幅作用+－DuS10KΩIN4148+－u

利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等,将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路,按输出波形又可分为半波整流电路和全波整流电路。目前广泛使用的是桥式整流电路。(3)二极管的整流作用利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等,将交流利用二极管的单向导电性能就可获得各种形式的整流电路。二极管半波整流电路二极管全波整流电路桥式整流电路简化图B220V~RLDIN4001B220V~RLD1D2二极管桥式整流电路D4B220V~RLD1D2D3B220V~RL利用二极管的单向导电性能就可获得各种形式的二极管半波整流电路1单相半波整流电路1单相半波整流电路当u2为正半周时,二极管D承受正向电压而导通,此时有电流流过负载,同时和二极管上的电流相等,即io=id。忽略二极管的电压降,则负载两端的输出电压等于变压器副边电压,即uo=u2

,输出电压uo的波形与u2相同。当u2为正半周时,二极管D承受正向电压而导通,此时有电流流过当u2为负半周时,二极管D承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过,输出电压uo=0,变压器副边电压u2全部加在二极管D上。当u2为负半周时,二极管D承受反向电压而截止。此时负载上无电2单相桥式整流电路2单相桥式整流电路u2为正半周时,a点电位高于b点电位,二极管D1、D3承受正向电压而导通,D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为:a→D1→RL→D3→b,如图中实线箭头所示。u2为负半周时,b点电位高于a点电位,二极管D2、D4承受正向电压而导通,D1、D3承受反向电压而截止。此时电流的路径为:b→D2→RL→D4→a,如图中虚线箭头所示。u2为正半周时,a点电位高于b点电位,二极管D1、D3承受正半导体二极管工作在击穿区,是否一定被损坏？为什么？

您会做不？何谓死区电压？硅管和锗管死区电压的典型值各为多少？为何会出现死区电压？

二极管的伏安特性曲线上分为几个区？能否说明二极管工作在各个区时的电压、电流情况？

检验学习结果为什么二极管的反向电流特别小且具有饱和性？当环境温度升高时又会明显增大？半导体二极管工作在击穿区,是否一定被损坏？为什么？您会做不I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)

稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化、这就是稳压二极管的显著特性。D

稳压二极管是一种特别的面接触型二极管,其反向击穿可逆。正向特性与普通二极管相似反向ΔIZΔUZ6、4特别二极管1、稳压二极管实物图图符号及文字符号

显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。I(mA)400.40.8－12－8－4U(+US－DZ使用稳压二极管时应该注意的事项(1)稳压二极管正负极的判别DZ+－(2)稳压二极管使用时,应反向接入电路UZ－(3)稳压管应接入限流电阻(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值(5)稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V,高的可达

300V,稳压二极管在工作时的正向压降约为0、6V。+US－DZ使用稳压二极管时应该注意的事项(1)稳压二极管正稳压管是一种用特别工艺制造的半导体二极管,稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于:电流增量特别大,只引起特别小的电压变化。稳压管的主要参数:(1)稳定电压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。(2)稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。(3)动态电阻rZ。稳定工作范围内,管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即:rZ=ΔUZ/ΔIZ(4)额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是:PZ=UZIZM稳压管是一种用特别工艺制造的半导体二极管,稳压管的稳定电压就思索与回顾

二极管的反向击穿特性:当外加反向电压超过击穿电压时,通过二极管的电流会急剧增加。击穿并不意味着管子一定要损坏,假如我们采取适当的措施限制通过管子的电流,就能保证管子不因过热而烧坏。在反向击穿状态下,让通过管子的电流在一定范围内变化,这时管子两端电压变化特别小,利用这一点能够达到“稳压”效果。稳压二极管就是工作在反向击穿区。稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R,使稳压管电流工作在Izmax和Izmix的范围内。应用中稳压管要采取适当措施限制通过管子的电流值,以保证管子可不能造成热击穿。思索与回顾二极管的反向击穿特性:当外加反向电压超过击

发光二极管是一种能把电能直截了当转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样,管芯由PN结构成,具有单向导电性。实物图图符号和

文字符号D

单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源及光电耦合器中的发光元件等。发光二极管一般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。

发光管正常工作时应正向偏置,因死区电压较普通二极管高,因此其正偏工作电压一般在1、3V以上。

发光管属功率控制器件,常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列器件。2、发光二极管发光二极管是一种能把电能直截了当转换成光能的固体发光

光电二极管也称光敏二极管,是将光信号变成电信号的半导体器件,其核心部分也是一个PN结。光电二极管PN结的结面积较小、结深特别浅,一般小于一个微米。D

光电二极管和稳压管类似,也是工作在反向电压下。无光照时,反向电流特别小,称为暗电流;有光照射时,携带能量的光子进入PN结后,把能量传给共价键上的束缚电子,使部分价电子挣脱共价键的束缚,产生电子—空穴对,称为光生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流,其强度与光照强度成正比。3、光电二极管

光电二极管也称光敏二极管,同样具有单向导电性,光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口”,这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭,入射光通过透镜正好射在管芯上。实物图图符号和

文字符号光电二极管也称光敏二极管,是将光信号变成电信号的半D6、5直流稳压电源大多数电子设备使用的直流电都取自电网提供的交流电,因此,直流稳压电源通常由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。直流稳压电源的组成框图

6、5直流稳压电源大多数电子设备使用的直流电都取自电网提供整流电路能够将交流电转换为直流电,但脉动较大,在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可直截了当使用脉动直流电源。但许多电子设备需要平稳的直流电源。这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除,以得到