半导体二极管08566.pptx
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1、半导体二极管半导体二极管第第 1 章章1.1半导体二极管半导体二极管(Semiconductor Diode)1.1.1 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性1.1.2半导体二极管的构成与类型半导体二极管的构成与类型1.1.3半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性1.1.4半导体二极管的使用常识半导体二极管的使用常识1.1.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性一、基本概念一、基本概念本征半导体本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。本征激发本征激发 在室温或光照下价电子获得足够能量摆在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子,并在共
2、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价键中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。载流子载流子 自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。自由电子自由电子(带负电带负电)空穴空穴(带正电带正电)电子空穴成对出现,数量少、与温度有关。电子空穴成对出现,数量少、与温度有关。两种载流子N型半导体型半导体 在本征半导体硅或锗中掺入微量五价元在本征半导体硅或锗中掺入微量五价元素,如磷、砷(杂质)所构成。素,如磷、砷(杂质)所构成。正离子正离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数P型半导体型半导
3、体 在本征半导体硅或锗中掺入微量三价元在本征半导体硅或锗中掺入微量三价元素,如棚、铟(杂质)所构成。素,如棚、铟(杂质)所构成。负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数电中性电中性二、二、PN结的形成结的形成1.载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2.交界面交界面形成空间电荷区形成空间电荷区(PN结结),建立内电场,建立内电场 空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子,无载流子,阻止扩散进行,阻止扩散进行,利于少子的利于少子的漂移漂移。3.扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡,形成动态平衡,形成PN
4、结结。扩散电流扩散电流 等于漂移电流,等于漂移电流,总电流总电流 I=0。内建电场内建电场载流子在电载流子在电场作用下的场作用下的定向运动定向运动PN结的形成三、三、PN结的单向导电性结的单向导电性1.外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置)(P+、N)P 区区N 区区内电场内电场+UR外电场外电场IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF。IF=I多子多子 I少子少子 I多子多子2.外加外加反向反向电压电压(反向偏置反向偏置)(P、N+)P 区区N 区区 +UR内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动,结移动,空间电荷区变宽。
5、空间电荷区变宽。IR漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR=I少子少子 0PN 结的结的单向导电性单向导电性:正偏呈低阻导通正偏呈低阻导通 正向电流正向电流IF较大较大;反偏呈高阻截止,反偏呈高阻截止,反向电流为反向电流为IR很小。很小。外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中中和部分离子和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。PN结的单向导电性 +UR四、四、PN结的结电容结的结电容势垒电容势垒电容 CB:PN中的电荷量随中的电荷量随外加电压变化而改外加电压变化而改变所显示的效应变所显示的效应(反偏时显著反偏时显著)。)。扩散电容扩散电容 CD:多子在扩
6、散过程中积多子在扩散过程中积累程度随外加电压变累程度随外加电压变化而改变所显示的效化而改变所显示的效应(应(正偏时显著正偏时显著)。)。+UR影响工作频率的原因影响工作频率的原因 PN 结的电容效应结的电容效应 结论:结论:1.低频低频时,因结电容很小,对时,因结电容很小,对 PN 结影响很小。结影响很小。高频高频时,时,因容抗增大,使因容抗增大,使结电容分流结电容分流,导致导致单向单向 导电性变差。导电性变差。2.结面积小时结电容小,工作频率高。结面积小时结电容小,工作频率高。1.1.2 半导体二极管的构成和类型半导体二极管的构成和类型构成:构成:PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管
7、(Diode)PN阳极阳极阴极阴极符号:符号:阳阳(正正)极极 ak 阴阴(负负)极极 分类:分类:按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按用途分按用途分普通二极管普通二极管整流二极管整流二极管稳压二极管稳压二极管开关二极管开关二极管按结构工艺分按结构工艺分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型点接触型点接触型阳极阳极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片管壳管壳阴极阴极引线引线特点:特点:PN结面积小结面积小结电容小结电容小适于高频、小电流适于高频、小电流应用:应用:小功率整流小功率整流高频检波高频检波开关电路开关电路阴极引线阴极引线 面接触型面接触型N型硅型硅PN 结结阳阳极引线
8、极引线铝合金铝合金小球小球支架支架金锑金锑合金合金特点:特点:PN结面积大结面积大结电容小结电容小适于低频、大电流适于低频、大电流(几百毫安以上几百毫安以上)应用:应用:整流整流阳极阳极引线引线阴极阴极引线引线集成电路中的集成电路中的平面型平面型PNP 型支持衬底型支持衬底常用二极管外形图常用二极管外形图2CZ542CZ132CZ302AP1N4001+微型二极管微型二极管(无引线或短引线的贴片元件,直接安装在印刷电路板表面)(无引线或短引线的贴片元件,直接安装在印刷电路板表面)圆柱形微型二极管圆柱形微型二极管SOT 23矩形微型二极管矩形微型二极管1.1.3 半导体二极管的伏安特性半导体二极
9、管的伏安特性一、一、PN 结的伏安特性方程结的伏安特性方程反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量电子电量电子电量1.602 1023C玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数1.38 1023J/K当当 T=300(27 C):UT =26 mVU=0 时,时,I=0;U 0 时,时,U 0 时,时,I IS;二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向特性Uon导通导通电压电压(门坎、阈值门坎、阈值)ID=0Uon=0.5 V0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)u UonID 急剧上升急剧上升0 u Uon Uon=(0.6 0.8)V硅管硅管 0.7 V(0.1 0
10、.3)V锗管锗管 0.2 V反向特性反向特性ISU(BR)反反向向击击穿穿U(BR)u 0 ID=IS 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)u U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)反向击穿类型:反向击穿类型:电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因:齐纳击穿齐纳击穿:(Zener)反向电场太强,将电子强行拉出共价键。反向电场太强,将电子强行拉出共价键。(击穿电压击穿电压 6 V,正温度系数,正温度系数)击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时,温度系数趋近零。左右时,温度系数趋近零。硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02
11、0.040 0.4 0.82550ID/mAUD/VID/mAUD/V0.20.4 25 50510150.010.020三、温度对二极管特性的影响三、温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550ID/mAUD/V20 C90 CT 升高时,升高时,Uon以以(2 2.5)mV/C 下降下降温度每升高温度每升高10 C,IS约增大约增大1倍倍一般,一般,硅管允许结温硅管允许结温 150 200 C 锗管允许结温锗管允许结温 75 100 C 1.1.4 半导体二极管的使用常识半导体二极管的使用常识一、二极管的型号一、二极管的型号国标国标GB24974 规定:规定:第一部分第一部
12、分阿拉伯阿拉伯数字数字表表示器件示器件电极数电极数第二部分第二部分字母字母(汉拼汉拼)表示器表示器件件材料材料和极性和极性第三部分第三部分字母字母(汉拼汉拼)表示器表示器件件类型类型第四部分第四部分阿拉伯阿拉伯数字数字表表示器件示器件序号序号第五部分第五部分字母字母(汉拼汉拼)表示表示规格号规格号如硅整流二极管如硅整流二极管 2 C Z 52 A二二极极管管N型型硅硅整整流流管管序序号号规规格格号号12345电极数器件材料和极性字母表示器件类型用数字表示器件序号字母表示规格号符号意义符号意义符号意义符号意义23二极管三极管ABCDABCDEN型,锗材料P型,锗材料N型,硅材料P型,硅材料PNP
13、,锗材料NPN,锗材料PNP,硅材料NPN,硅材料化合物材料PVWCZLSNUKXG普通管微波管稳压管参量管整流管整流堆遂道管阻尼管光电器件开关管低频小功率管(f3MHZ,PC1W)高频小功率管(f3MHZ,PC1W)DATYBJCSBTFHPIN JG低频大功率管(f3MHZ,PC1W)高频大功率管(f3MHZ,PC1W)可控整流器体效应器件雪崩管阶跃恢复管场效应管半导体特殊器件复合管PIN型管激光器件表表1.2.1 半导体器件型号组成部分的符号及其意义半导体器件型号组成部分的符号及其意义二、二极管的主要参数二、二极管的主要参数1.IFM 最大整流电流最大整流电流(最大正向平均电流最大正向平
14、均电流)2.URM 最高反向工作电压最高反向工作电压,为,为 U(BR)/2 3.IR 反向电流反向电流(随温度变化随温度变化,越小单向导电性越好越小单向导电性越好)IDUDU(BR)I FURMO4.fM 最高工作频率最高工作频率(主要取决于主要取决于PNPN结结电容大小结结电容大小)表表1.2.2 几种二极管的典型参数几种二极管的典型参数参数参数型号型号IFM/mAURM/VIR/A fMIFMCj/pF备注备注2AP12AP1216402010 250 250150 MHz40 MHz 1 1点接触点接触形锗管形锗管2CZ52A 2CZ52D10010025200 100 1003 kH
15、z3 kHz面接触面接触形硅管形硅管2CZ56E 2CZ55C10003000100300 500 10003 kHz3 kHz应加散应加散热板热板1N40021N540310003000100300三、二极管管脚极性及质量的判断三、二极管管脚极性及质量的判断在在 R 100或或R 1 k 档测量档测量红表笔红表笔是是(表内电源表内电源)负极负极,黑表笔黑表笔是是(表内电源表内电源)正极正极。正反向电阻各测量一次,正反向电阻各测量一次,测量时手不要接触引脚。测量时手不要接触引脚。(1)用指针式万用表检测用指针式万用表检测*一一般般硅硅管管正正向向电电阻阻为为几几千千欧欧,锗锗管管正正向向电电阻
16、阻为为几几百百欧欧;反反向向电电阻电阻为几百千欧。阻电阻为几百千欧。*正反向电阻相差小为劣质管。正反向电阻相差小为劣质管。正正反反向向电电阻阻都都是是无无穷穷大大或或零零则二极管内部断路或短路。则二极管内部断路或短路。1k 0 0 0(2)用数字式万用表检测用数字式万用表检测红红表笔是表笔是(表内电源表内电源)正极,正极,黑黑表笔是表笔是(表内电源表内电源)负极。负极。2k20k200k2M20M200 在在 挡挡进进行行测测量量,当当 PN 结结完完好好且且正正偏偏时时,显显示示值值为为 PN 结结两两端端的的正向压降正向压降(V)。反偏时,显示。反偏时,显示 。半导体三极管半导体三极管(S
17、emiconductor Transistor)1.2.1BJT 的结构的结构1.2.2BJT 的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理1.2.3BJT 的特性曲线的特性曲线1.2双极型双极型三极管三极管1.2.4BJT 的使用常识的使用常识1.2.1 BJT的结构的结构一、结构、符号和分类一、结构、符号和分类NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结基基 区区发射区发射区集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型PPNEBCPNP 型型分类:分类:按材料分:按材料分:硅管、锗管硅管、锗管按结构分:按结构分:NPN、PNP按使用频率分:按使
18、用频率分:低频管、高频管低频管、高频管按功率分:按功率分:小功率管小功率管 1 WECBECBBJT 外形和引脚外形和引脚EBCECBEBCBECEBC内部内部条件条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏:UC UB UE集电结反偏集电结反偏:UC UB 1 IE=IC+IB=(1+)IB IC=IB UCE UCE=UR=IC RC电压放大倍数电压放大倍数:RcVCCIBIERb+UBE+UCE VBBcebIC例例 1.2.1 输入电压输入电压 UI=30 mV,引起引起 IB=30 A,设设 =4
19、0,RC=1 k,求求 IC、Au。解:解:IC=IB=40 30 A=1.2 mA UO=UCE=IC RC=1.2 mA 1 k =1.2 V1.2.3 BJT 的特性曲线的特性曲线一、共发射极输入特性一、共发射极输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似与二极管特性相似iBiEiCO特性基本特性基本重合重合(电流分配关系确定电流分配关系确定)特性右移特性右移(因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子)导通电压导通电压 uBE硅管:硅管:(0.6 0.8)V锗管:锗管:(0.2 0.3)V取取 0.7 V取取 0.2 V+VCCRcC1C2RL+Rb+ui+uo+uBE+uCE iBRb+u
20、BE VCC+VCCRb二、共发射极输出特性二、共发射极输出特性iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321ICEO水平部分为何略上翘水平部分为何略上翘?由于由于uCE增大时,增大时,集电结空间电荷区变集电结空间电荷区变宽,基区变窄,使载宽,基区变窄,使载流子在基区复合的机流子在基区复合的机会减小,即电流放大会减小,即电流放大系数系数 增大,称增大,称基区宽基区宽度调制效应度调制效应。三、三、PNP型型 BJT共发射极特性曲线共发射极特性曲线输入特性输入特性O0.1 0.2 0.3 0.4806040 20 iB/A uBE/V输出特性输出特
21、性iC/mA uCE/V80 A60 A40 A20 AIB=0O 2 4 6 8 4321RcVCCRb+UBE+UCE VBBceb例例 1.2.2(教材例(教材例 2.1.1)已知放大电路中三个极的电位分)已知放大电路中三个极的电位分别为:别为:U1=4V,U2=1.2 V,U3=1.4 V,判断判断BJT类类型、制造材料及电极。型、制造材料及电极。解解RcVCCRb+UBE+UCE VBBcebNPN管管UC UB UEPNP管管UC UB UE硅管:硅管:UBE=0.7 V ;锗管:锗管:UBE=0.2 V 本例中:本例中:U1 U3 2002.极间反向饱和电流极间反向饱和电流(1)
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