電工電子學(xué)資料ppt課件.ppt

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1、電工電子學(xué)主講張瑩Electrotechnics本章要求：1、了解半導(dǎo)體材料的特性、結(jié)構(gòu)、原理。2、掌握普通二極管、穩(wěn)壓二極管的特性。3、掌握二極管應(yīng)用電路的分析方法。第八章直流穩(wěn)壓電源4、直流穩(wěn)壓電源各環(huán)節(jié)的作用，以及相關(guān)參數(shù)計(jì)算。8.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109??cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。8.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性(1)本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)(2)電子空穴對(duì)(3)空穴的移動(dòng)本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件

2、的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。(1）本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見(jiàn)圖01.01。圖01.01硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(a)硅晶體的空間排列(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)（2）電子空穴對(duì)當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成

3、為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。可見(jiàn)因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖01.02所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。圖01.02本征激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程(動(dòng)畫(huà)1-1)(3)空穴的移動(dòng)自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過(guò)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)

4、鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。(動(dòng)畫(huà)1-2)8.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。(1）N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

5、五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.04所示。圖01.04N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖(2)P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.05所示。圖01.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖圖01.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖8.1.3P

6、N結(jié)一、PN結(jié)的形成二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦砸?、PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過(guò)程:因濃度差?多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)?由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)?空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)?內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移?內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。圖01.06PN結(jié)的形成過(guò)程PN結(jié)形成的過(guò)程可參閱圖01.06。(動(dòng)畫(huà)1-3)二、PN結(jié)的單

7、向?qū)щ娦匀绻饧与妷菏筆N結(jié)中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖01.07所示。(動(dòng)畫(huà)1-4)(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)

8、多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。在一定的溫度