电工学半导体器.ppt
,海南风光,10.1半导体的基础知识，P型硅，N型硅10.2 PN结及半导体二极管10.3 稳压二极管10.4 三极管,第10章 半导体器件,中国矿业大学（北京）信息所,模拟电路：研究输出与输入信号之间的大小、相位、失真等方面的关系。基本电路元件：晶体管、场效应管、集成运算放大器。基本模拟电路：信号放大及运算（信号放大、功率放大）、信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波）、信号发生（正 弦 波发生器、三角波发生器等）。研究方法：建立等效模型，近似计算。,10.1.1 本征半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,10.1 半导体的基本知识,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱。,杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,硅或锗+少量磷 N型半导体,空穴,P型半导体,硼原子,硅原子,空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动,硅或锗+少量硼 P型半导体,杂质半导体的示意表示法,10.2.1 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,10.2 PN结及半导体二极管,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,10.2.2 PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。,PN结正向偏置,内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大,P,N,+,_,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小,反向饱和电流很小，A级,10.2.3 半导体二极管,(1)、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,(2)、伏安特性,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),（3）静态电阻Rd，动态电阻 rD,静态工作点Q（UQ，IQ）,（3）静态电阻Rd，动态电阻 rD,静态电阻：Rd=UQ/IQ（非线性）,动态电阻：rD=UQ/IQ,在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻,例1：二极管：死区电压=0.5V，正向压降 0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,二极管半波整流,例2：二极管的应用(设RC时间常数很小）,uo,C,1.电路分析,例1：求VDD=10V时，二极管的 电流ID、电压VD 值。,解1：,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。,解2：,返回,Vi VR时，二极管导通，vo=vi。,Vi VR时，二极管截止，vo=VR。,例2：理想二极管电路中 vi=Vm sint V，求输出波形v0。,解：,返回,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,0V 0V,导通 导通,导通 截止,截止 导通,截止 截止,0V 5V,5V 0V,5V 5V,0V,0V,0V,5V,例3：求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。,解：,返回,两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6 V，V2阳=0 V，V1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0 V,例4:电路如左图,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。,返回,例5：求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V 时，输出v0的值。(2).Vi=6sint V 时，输出v0的波形。,解：(1).,vI=4V时，D导通。,vI=0V时，D截止。v0=vI,vI=6V时，D导通。,(2).Vi=6sint V（理想模型）,返回,例6：理想二极管电路中 vi=V m sint V，求输出波形v0。,ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。,ViV2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。,V2ViV1时，D1、D2均截止，Vo=Vi。,返回,例3：,例7：二极管限幅电路:已知电路的输入波形为 v i,二极管的VD 为0.6伏，试画出其输出波形。,解：,Vi 3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。,Vi 3.6V时，二极管截止，vo=Vi。,返回,10.3 稳压二极管,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和 Izmin之间时,其两端电压近似为常数,正向同二极管,稳定电流,稳定电压,例：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200。若负载电阻变化范围为1.5 k 4 k，是否还能稳压？,UZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）,10.4 半导体三极管,10.4.1 基本结构,NPN型,PNP型,三极管符号,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,发射结,集电结,10.4.2 电流放大原理,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,1,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。,EB,RB,Ec,从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。,2,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,静态电流放大倍数,静态电流放大倍数，动态电流放大倍数,动态电流放大倍数,IB：IB+IB,10.4.3 特性曲线,IB 与UBE的关系曲线（同二极管）,（1）输入特性,死区电压，硅管0.5V,工作压降：硅管UBE 0.7V,（2）输出特性(IC与UCE的关系曲线),IC(mA),Q,Q,输出特性,IC(mA),当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且 IC=IB。此区域称为线性放大区。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压,，称为截止区。,输出特性三个区域的特点:,(1)放大区 IC=IB,且 IC=IB，BE结正偏，BC结反偏,(2)饱和区 IC达饱和，IC与IB不是倍的关系，IBIC。BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE（UCE0.3V，UBE0.7V）,(3)截止区 UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0（ICEO穿透电流，很小，A 级）,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区,USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019 mA IC=IB=500.019=0.95 mA ICS=2 mA，Q位于放大区 IC最大饱和电流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA,=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061 mA IC=IB=500.061=3.05 mA ICS=2 mA，Q位于饱和区(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）,三极管的技术数据：（自学）（1）电流放大倍数（2）集-射间穿透电流ICEO（3）集-射间反向击穿电压UCEO(BR)（4）集电极最大电流ICM（5）集电极最大允许功耗PCM,
