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1.1半导体基础知识
[教学目的与要求]
1.了解PN结的形成;
2.理解PN结的单向导电性。
[教学重点与难点]
重点:
PN结的单向导电性;
难点:
1.掺杂半导体中的多子和少子的概念;
2.PN结的形成;
3.半导体的导电机理:
两种载流子参与导电;
[教具和媒体使用]多媒体课件。
[教学方法]讲授法、问题教学法。
[教学时数]2学时。
[教学过程]
导入:
介绍日常生活中由半导体器件构成的物品。
新授:
一、半导体基本概念
1、半导体及其导电性能
根据物体的导电能力的不同,电工材料可分为三类:
导体、半导体和绝缘体。
半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料,半导体的电阻率为10-3~10-9Ω∙cm。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别:
当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化;
往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时,会使它的导电能力具有可控性,这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
2、本征半导体的结构及其导电性能
本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为“九个9”,它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。
在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
3、半导体的本征激发与复合现象
当导体处于热力学温度0K时,导体中没有自由电子。
当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电,成为自由电子。
这一现象称为本征激发(也称热激发)。
因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,称为电子空穴对。
游离的部分自由电子也可能回到空穴中去,称为复合。
在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡,此时,载流子浓度一定,且自由电子数和空穴数相等。
4、半导体的导电机理
自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定向运动也可形成空穴电流,因此,在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子(即载流子),这是半导体的特殊性质。
空穴导电的实质是:
相邻原子中的价电子(共价键中的束缚电子)依次填补空穴而形成电流。
由于电子带负电,而电子的运动与空穴的运动方向相反,因此认为空穴带正电。
5、杂质半导体
掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
杂质半导体是半导体器件的基本材料。
在本征半导体中掺入五价元素(如磷),就形成N型(电子型)半导体;
掺入三价元素(如硼、镓、铟等)就形成P型(空穴型)半导体。
杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关,掺杂浓度越大、温度越高,其导电能力越强。
在N型半导体中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。
多子(自由电子)的数量=正离子数+少子(空穴)的数量
在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
多子(空穴)的数量=负离子数+少子(自由电子)的数量
二、PN结的形成及其单向导电性
1、PN结的形成
半导体中的载流子有两种有序运动:
载流子在浓度差作用下的扩散运动和电场作用下的漂移运动。
PN结的形成:
在同一块半导体上形成P型和N型半导体区域,在这两个区域的交界处,当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时,空间电荷区(亦称为耗尽层或势垒区)的宽度基本上稳定下来,PN结就形成了。
2、PN结的单相导电性
当P区的电位高于N区的电位时,称为加正向电压(或称为正向偏置),此时,PN结导通,呈现低电阻,流过mA级电流,相当于开关闭合;
当N区的电位高于P区的电位时,称为加反向电压(或称为反向偏置),此时,PN结截止,呈现高电阻,流过μA级电流,相当于开关断开。
PN结是半导体的基本结构单元,其基本特性是单向导电性:
即当外加电压极性不同时,PN结表现出截然不同的导电性能。
PN结的单向导电性:
PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;
PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。
PN结的反向击穿特性:
当PN结的反向电压增大到一定值时,反向电流随电压数值的增加而急剧增大。
PN结的反向击穿有两类:
齐纳击穿和雪崩击穿。
无论发生哪种击穿,若对其电流不加以限制,都可能造成PN结的永久性损坏。
2、PN结温度特性
当温度升高时,PN结的反向电流增大,正向导通电压减小,这也是半导体器件热稳定性差的主要原因。
3、PN结电容效应
PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因素决定:
一是势垒电容CB,二是扩散电容CD,它们均为非线性电容。
*势垒电容是耗尽层变化所等效的电容。
势垒电容与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压等因素有关。
扩散电容是扩散区内电荷的积累和释放所等效的电容。
扩散电容与PN结正向电流和温度等因素有关。
PN结电容由势垒电容和扩散电容组成。
PN结正向偏置时,以扩散电容为主;
反向偏置时以势垒电容为主。
只有在信号频率较高时,才考虑结电容的作用。
作业:
1.复习PN结的形成过程;
2.预习下一小节“半导体二极管”相关内容。
[教学反思]
模拟电子技术课程教案
第2讲
1.1半导体二极管
1.2特殊二极管
1.掌握二极管的特性和主要参数;
2.掌握稳压管的工作原理;
3.了解发光二极管、光敏二极管等特殊二极管的功能和用途。
1.二极管的伏安特性、单向导电性及等效电路;
2.稳压管稳压原理及简单稳压应用电路;
3.二极管的箝位、限幅和小信号应用举例。
1.二极管在电路中导通与否的判断方法;
2.稳压管稳压原理
思考:
P型和N型半导体中,多子或少子各指什么?
PN结是如何形成的?
一、二极管的特性和主要参数
1、半导体二极管的几种常见结构及其应用场合
在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。
二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。
点接触型二极管PN结面积小,结电容小,常用于检波和变频等高频电路;
面接触型二极管PN结面积大,结电容大,用于工频大电流整流电路;
平面型二极管PN结面积可大可小,PN结面积大的,主要用于功率整流;
结面积小的可作为数字脉冲电路中的开关管。
2、二极管的伏安特性
半导体二极管的伏安特性曲线如P5图1-10所示,处于第一象限的是正向伏安特性曲线,处于第三象限的是反向伏安特性曲线。
1)正向特性:
当V>0,即处于正向特性区域,正向区又分为两段:
(1)当0<V<Uon时,正向电流为零,Uon称为死区电压或开启电压。
(2)当V>Uon时,开始出现正向电流,并按指数规律增长。
2)反向特性:
当V<0时,即处于反向特性区域,反向区也分两个区域:
(1)当VBR<V<0时,反向电流很小,且基本不随反向电压的变化而变化,此时的反向电流也称反向饱和电流Isat。
(2)当V≤VBR时,反向电流急剧增加,VBR称为反向击穿电压。
从击穿的机理上看,硅二极管若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿;
若VBR≤4V则主要是齐纳击穿,当在4V~7V之间两种击穿都有,有可能获得零温度系数点。
3、温度对二极管伏安特性的影响
温度对二极管的性能有较大的影响,温度升高时,反向电流将呈指数规律增加,硅二极管温度每增加8℃,反向电流将约增加一倍;
锗二极管温度每增加12℃,反向电流大约增加一倍。
另外,温度升高时,二极管的正向压降将减小,每增加1℃,正向压降UD大约减小2mV,即具有负的温度系数。
4、二极管的等效电路(或称为等效模型)
1)理想模型:
即正向偏置时管压降为0,导通电阻为0;
反向偏置时,电流为0,电阻为∞。
适用于信号电压远大于二极管压降时的近似分析。
2)简化电路模型:
是根据二极管伏安特性曲线近似建立的模型,它用两段直线逼近伏安特性,即正向导通时压降为一个常量Uon;
截止时反向电流为0。
3)小信号电路模型:
即在微小变化范围内,将二极管近似看成线性器件而将它等效为一个动态电阻rD。
这种模型仅限于用来计算叠加在直流工作点Q上的微小电压或电流变化时的响应。
5、二极管的主要参数
1)最大整流电流IF:
二极管长期工作允许通过的最大正向平均电流。
在规定的散热条件下,二极管正向平均电流若超过此值,则会因结温过高而烧坏。
2)最高反向工作电压UBR:
二极管工作时允许外加的最大反向电压。
若超过此值,则二极管可能因反向击穿而损坏。
一般取UBR值的一半。
3)电流IR:
二极管未击穿时的反向电流。
对温度敏感。
IR越小,则二极管的单向导电性越好。
4)最高工作频率fM:
二极管正常工作的上限频率。
若超过此值,会因结电容的作用而影响其单向导电性。
6、稳压二极管(稳压管)及其伏安特性
二、稳压管
稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管,通过反向击穿特性实现稳压作用。
稳压管的伏安特性与普通二极管类似,其正向特性为指数曲线;
当外加反压的数值增大到一定程度时则发生击穿,击穿曲线很陡,几乎平行于纵轴,当电流在一定范围内时,稳压管表现出很好的稳压特性。
1、稳压管等效电路
稳压管等效电路由两条并联支路构成:
①加正向电压以及加反向电压而未击穿时,与普通硅管的特性相同;
②加反向电压且击穿后,相当于理想二极管、电压源Uz和动态电阻rz的串联。
如P7图1-11所示。
2、稳压管的主要参数
1)稳定电压UZ:
规定电流下稳压管的反向击穿电压。
2)最大稳定工作电流IZMAX和最小稳定工作电流IZMIN:
稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率,即PZmax=UZIZmax;
而Izmin对应UZmin,若IZ<IZmin,则不能稳压。
3)额定功耗PZM:
PZM=UZIZMAX,超过此值,管子会因结温升太高而烧坏。
4)动态电阻rZ:
rz=∆VZ/∆IZ,其概念与一般二极管的动态电阻相同,只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。
RZ愈小,反映稳压管的击穿特性愈陡,稳压效果愈好。
5)温度系数α:
温度的变化将使UZ改变,在稳压管中,当⎢UZ⎢>7V时,UZ具有正温度系数,反向击穿是雪崩击穿;
当⎢UZ⎢<4V时,UZ具有负温度系数,反向击穿是齐纳击穿;
当4V<⎢VZ⎢<7V时,稳压管可以获得接近零的温度系数。
这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。
9、稳压管稳压电路
稳压二极管在工作时应反接,并串入一只电阻。
电阻有两个作用:
一是起限流作用,以保护稳压管;
二是当输入电压或负载电流变化时,通过该电阻上电压降的变化,取出误差信号以调节稳压管的工作电流,从而起到稳压作用。
三、其他特殊二极管
如上节利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管,利用发光材料还可制成发光二极管,利用PN结的光敏特性可制成光电二极管,等等。
教材p19习题4、5、6、7、8。
第3讲
1.4晶体管
1.理解晶体管的电流分配及放大原理;
2.掌握晶体管的输入输出特性;
3.熟悉晶体管的主要参数。
1.晶体管电流放大原理及其电流分配关系式;
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- 模拟 电子技术 教案