电工电子技术课件 5.1-5.2半导体及二极管

5.3半导体三极管第5章半导体器件5.1半导体5.2半导体二极管5.1半导体一、半导体基本知识第五章半导体器件根据物质导电能力的大小，可以把物质分为导体、半导体和绝缘体三大类，半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有锗、硅、硒、砷化镓及大多数金属氧化物和硫化物，它们都具有晶体结构(原子有规则排列的物质)，所以半导体器件又称晶体管。（1）热敏特性热敏特性是指半导体的电阻率随温度升高而显著减小的特性。（2）光敏特性有的半导体材料在无光照时电阻率很高，而一旦受到光线照射后电阻率显著下降。这种特性称光敏特性。（3）掺杂特

在纯净的半导体材料中掺入某种微量的元素（如硼和磷等）后，其导电能力将猛增几万倍甚至百万倍。这是半导体最显著、最突出的特性。1.半导体的导电特性5.1半导体一、半导体基本知识第五章半导体器件2.本征半导体根据所含杂质的多少，半导体分为纯净半导体和杂质半导体，纯净半导体几乎不含杂质，它是通过一定的工艺过程可以将半导体提纯制成晶体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体又称为本征半导体，如单晶硅和单晶锗。图1本征半导体共价键结构图（1）结构本征半导体的结构图如图1所示。由于半导体材料中的价电子受共价键的束缚力较小，在一定的温度下或在一定强度光的照射下，少数价电子可以获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这种物理现象称为本征激发，如图2所示。（2）本征激发5.1半导体第五章半导体器件一、半导体基本知识2.本征半导体本征半导体中的载流子自由电子(－)

空穴（+）+4图2

本征激发在一定的温度下，由于热运动转化为电子的动能，少数价电子由于热激发获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位置，称为空穴。原子因失掉一个价电子而带正电，即空穴带正电。自由电子和空穴都是运载电荷的粒子，称为载流子。5.1半导体第五章半导体器件自由电子在运动过程中也会填补空位，称为复合。在一定温度下，激发和复合处于动态平衡，在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴数目相等。由于自由电子和空穴所带电荷极性不同，所以它们的运动方向相反，本征半导体中的电流是由电子电流和空穴电流两部分组成的。一、半导体基本知识2.杂质半导体

在本征半导体中有控制有选择地掺入微量的有用杂质，就能制成具有特定导电性能的杂质半导体。

在本征半导体中掺五价元素（如磷），形成以自由电子导电为主，称为电子型半导体，简称N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。(1)N型半导体

N型半导体5.1半导体第五章半导体器件一、半导体基本知识2.杂质半导体

在本征半导体中掺三价元素（如硼），形成以空穴导电为主，称为空穴型半导体，简称P型半导体。在P型半导体中，空穴数多于自由电子数，空穴是多子P型半导体(2)P型半导体（3）扩散电流与漂移电流载流子由于浓度差异而形成运动所产生的电流叫扩散电流。在电场作用下，载流子定向运动而形成的电流叫漂移电流。

5.1半导体二、PN结第五章半导体器件1、PN结的形成因多子浓度差

多子的扩散

由杂质离子形成空间电荷区

形成内电场

阻止多子扩散，促使少子漂移。扩散和漂移达到动态平衡时，形成稳定的空间电荷区，即PN结。5.1半导体第五章半导体器件二、PN结1）PN结外加正向电压(PN结正偏)，外电场方向与内电场方向相反，空间电荷区(耗尽层)变薄，扩散＞漂移，导通电流很大,呈低阻态，PN结导通。2)PN结外加反向电压(PN结反偏)，外电场与内电场相同，耗尽层加厚，漂移＞扩散，形成反向电流IR，很小。呈高阻状态，PN结截止。PN结具有单向导电性2、PN结的单向导电特性5.2半导体二极管一、二极管结构和分类第五章半导体器件二极管是由PN结加上相应的电极引线和管壳做成的。P区引出的电极称为正极（阳极），N区引出的电极称为负极（阴极）。由P区引出的引线，称为正极(亦称阳极)；由N区引出的引线，称为负极(亦称阴极)，二极管的符号如图所示。

二极管的种类很多，1、按照结构分，二极管有点接触型和面接触型两类，点接触型适用于高频和小功率工作，一般用于检波或脉冲电路，面接触型一般用作整流；2、按照制造材料分，有硅二极管和锗二极管；3、按照用途分，主要有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管等。5.2半导体二极管二、二极管伏安特性第五章半导体器件二极管两端所加电压与流过它的电流之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。死区电压：硅：0.5V，锗：0.2V导通压降:

硅管0.6V,锗管0.3V。当反向电压超过某一特定值，反向电流急剧增大，二极管失去单向导电性，会反向击穿。图32CP10硅二极管的伏安特性5.2半导体二极管三、二极管的主要参数第五章半导体器件1、最大正向电流IF是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。使用时通过二极管的平均电流不能大于这个值，否则将导致二极管损坏。2、最大反向工作电压URM

是指正常工作时，二极管所能承受的反向电压的最大值。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。3、最高工作率fM是指晶体二极管能保持良好工作性能条件下的最高工作频率4、反向饱和电流IS是指二极管未击穿时流过二极管的最大反向电流。反向饱和电流越小，管子的单向导电性能越好。5.2半导体二极管四、二极管应用第五章半导体器件1.

整流图4整流电路2.限幅利用二极管的单向导电性可对输出信号起限幅作用。下例举例说明二极管限幅作用。例：如右图，E＝5V，二极管正向压降忽略不计，画出uo波形。5.2半导体二极管第五章半导体器件四、二极管应用3.钳位图4钳位电路图5与门电路4.逻辑门电路5.2半导体二极管第五章半导体器件五、特殊二极管1.稳压二极管

稳压二极管及应用电路稳压管是一种特殊的二极管,它工作于反向击穿区。特点：电流变化大，电压变化小，利用这种特性在电路中与适当的电阻配合就能起到稳定电压的作用。（1）

稳压原理

稳压管：１）加正向电压时同二极管；２）加反向电压时使其击穿后稳压

１）稳定电压UZ正常工作下，稳压管两端电压。同一型号的稳压管分散性较大。（2）稳压管参数5.2半导体二极管第五章半导体器件五、特殊二极管1.稳压二极管

（2）稳压管参数２）稳定电流IZ正常工作下的参考电流大小由限流电阻决定。３）动态电阻rZrZ=△U/△I；

rZ越小，稳压效果越好。例：如图，已知UZ=10V，负载电压UL（A

）

（Ａ）5Ｖ（Ｂ）10Ｖ

（Ｃ）15Ｖ

（Ｄ）20ＶVS20V15KΩ5KΩUL

稳压管的工作条件（１）必须工作在反向击穿状态（２）电路中应有限流电阻，以保证反向电流不超过允许范围。5.2半导体二极管第五章半导体器件五、特殊二极管2.发光二极管发光二极管发光二极管是一种能把电能转换成光能的特殊器件。这种二极管不仅具有普通二极管的正、反向特性，而且当给管子施加正向偏压时，管子还会发出可见光和不可见光。目前应用的有红、黄、绿、蓝、紫等颜色的发光二极管。此外，还有变色发光二极管，即当通过二极管的电流改变时，发光颜色也随之改变。发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式器件。发光二极管的另一个重要的用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号。5.2半导体二极管第五章半导体器件五、特殊二极管3.光电二极管

光电二极管变容二极管光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同，只是在它的ＰＮ结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。光电二极管的ＰＮ结在反向偏置状态下运行，其反向电流随光照强度的增加而上升。光电二极管的主要特点是其反向电流与光照度成正比。4.

光电耦合器件5.变容二极管光电耦合器件例题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。第五章半导体器件例题2:电路如图所示，已知ui＝10sinωt(v)，试画出ui与uO的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。正半周将二极管看成短路负半周将二极管看成开路二极管半波整流uiuott第五章半导体器件例题3:

Vi=6sinωtV时，输出v0的波形。解:Vi=6sinωtV（理想模型）3Vvit06V限幅电路第五章半导体器件练习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