电子技术基础 课件 1半导体基础知识、晶体二极管1

掌握基本概念、基本电路、基本分析方法、基本实验技能；具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，将所学知识用于本专业的能力。课程学习目的本课程是入门性质的技术基础课《电子技术基础》半导体基础知识二极管的工作原理、分析方法三极管的工作原理、分析方法场效应管的工作原理、分析方法基本放大器差分放大器集成运算放大器负反馈放大器功率放大器器件放大器模拟电路部分数字电路部分数字电路基础组合逻辑电路时序逻辑电路本课程的主要内容建立新概念，确立新的分析方法。重点在于课堂听讲，再加预习、复习。注重实验环节，先理论分析，后实践，然后再对实验的结果进行分析。认真作业。本课程的学习方法第1章常用半导体器件1.1半导体基础知识1.2半导体二极管及其特性1.3二极管应用电路1.1半导体基础知识什么是半导体？①半导体的电阻率随着温度的升高而下降，即温度升高，半导体的导电能力增强。导电能力介于导体和绝缘体之间半导体有何特点？②半导体的导电能力随着光照强度的增强而增强。③半导体的导电能力受掺入杂质的影响显著，即在半导体材料中掺入微量杂质（特定的元素），电阻率下降，导电能力增强。热敏特性掺杂特性光敏特性物体根据其导电能力（电阻率）分半导体绝缘体导体典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。硅原子284锗原子

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本征半导体的共价键结构1.本征半导体

本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，常温下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。

这一现象称为本征激发，也称热激发。

当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有少数电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子

+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。

可见本征激发同时产生电子空穴对。

外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。

自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程（与本征激发相反的现象）——复合

自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对动画自由电子带负电荷电子流载流子空穴带正电荷空穴流1、本征半导体的电子空穴成对出现，且数量少；2、半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等有关。

结论2.杂质半导体

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。1.

N型半导体（主要载流子为电子，电子型半导体）

在本征半导体中掺入三价杂质元素，例如硼，镓等，称为P型半导体。

2.

P型半导体（主要载流子为空穴，空穴型半导体）

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。

目的：提高半导体的导电性能。掺杂是为了改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度。2.杂质半导体

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。1.

N型半导体（主要载流子为电子，电子型半导体）

在本征半导体中掺入三价杂质元素，例如硼，镓等，称为P型半导体。

2.

P型半导体（主要载流子为空穴，空穴型半导体）

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。

目的：提高半导体的导电性能。掺杂是为了改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度。N型+5+4+4+4+4+4电子数>

空穴数电子为多数载流子(多子)空穴为少数载流子(少子)P型+3+4+4+4+4+4空穴数>

电子数空穴

—

多子电子

—

少子磷原子自由电子空穴硼原子硅原子硅原子失去电子成为正离子得到电子成为负离子N型+5+4+4+4+4+4电子数>

空穴数电子为多数载流子(多子)空穴为少数载流子(少子)P型+3+4+4+4+4+4空穴数>

电子数空穴

—

多子电子

—

少子磷原子自由电子空穴硼原子硅原子硅原子失去电子成为正离子得到电子成为负离子杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子－电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关负离子正离子内电场E

因多子浓度差

形成内电场

多子的扩散

由杂质离子形成空间电荷区

PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层（阻挡层）扩散和漂移达到动态平衡：

扩散电流＝漂移电流总电流＝0动画3、PN结的形成

在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。1.外加正向电压(正向偏置)

——电源正极接P区，负极接N区P区N区内电场+

UR外电场2.外加反向电压（反向偏置)

——电源正极接N区，负极接P区P区N区

+UR内电场外电场IR外电场的方向与内电场方向相反外电场削弱内电场→阻挡层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成的正向电流大正向电流外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→阻挡层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成的反向电流小IF

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，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与温度有关。

动画PN结的单向导电性

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。1.2半导体二极管及其特性二极管：一个PN结就是一个二极管。单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。符号：半导体二极管的类型

按使用的半导体材料不同分为硅管Si锗管Ge1.晶体二极管的结构2.晶体二极管的伏安特性

硅：0.6－0.8V

锗：

0.2－0.3V(1)正向特性反向饱和电流（很小，μA级）(2)反向特性死区电压击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA正向特性反向特性反向击穿导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。

总之，二极管的伏安特性具有以下特点：

（1）二极管具有单向导电性；（2）二极管的伏安特性具有非线性；（3）二极管的伏安特性与温度有关。

硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。

若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时,主要是齐纳击穿。3.反向击穿特性

当反向电压超过某一数值时，反向电流将急剧增加，这种现象称为击穿现象。此时的电压称为反向击穿电压。雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低、外加电压又较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较低的PN结，空间电荷区宽度较宽，发生碰撞电离的机会较多。齐纳击穿一般发生在掺杂浓度较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较高的PN结，空间电荷区的电荷密度很大，宽度较窄，只要加不大的反向电压，就能建立起很强的电场，发生齐纳击穿。两者区别：PN结反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿，一般两种击穿同时存在，但在电压低于5-6V时的击穿以齐纳击穿为主，而电压高于5-6V时的击穿以雪崩击穿为主。1）静态分析例1：求VDD=10V时，二极管的电流ID、电压VD

值。解：1.理想模型正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为∞。2.恒压降模型当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流变化，典型值0.7V。二极管的应用例2

：求整流电路的输出波形。解：2）整流电路导通截止导通截止例3:

ui=6sinωtV时，输出u0的波形。解:ui=6sinωtV（理想模型）

3Vvit06V3）限幅电路练习1:电路如图所示，分析ui大于或者小于多少伏二极管才有可能导通？设：二极管导通电压为0.7V。解：二极管的负极电压为+5V。二极管导通的条件是正偏。且二极管正端电压UP大于二极管负端电压UN的0.7V。由此可知：UD+5V=0.7+5V=5.7V因此当ui大于5.7V后二极管才可能导通练习2:判断二极管导通还是截止？方法：1、从电路中断开二极管

2、判断二极管两端电位的高低如果VP>VN则二极管导通，否则截止。由此可知：二极管截止1.3二极管的应用电路1、稳压二极管O在反向击穿区，流过稳压管的电流发生很大变化，两端电压基本不变。符号2、发光二极管LED（LightEmittingDiode）发光原理：PN结采用特殊结构，正向导通时，由于空穴与自由电子复合而释放出能量，发出一定波长的光。3、光电二极管

普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流；光