电工与电子技术下册.ppt

1,第14章 半导体器件,授课老师：蒙自明（物理与光电工程学院）Email:Code:cheliang10,2,上下册的联系,上册 电工技术：主要体现的是电能的使用和转化。内容偏重于电路分析，即计算电路中流动的电流，阻抗以及加在电阻中的电压等。如常用的欧姆定律、基尔霍夫电流定律等。涉及到的主要是强电的电路，即电压和电流的量级单位多为伏和安，这一类的电路也叫电气电路。下册 电子技术：同样基于上册的电路分析方法，在电路中引入了半导体器件，如二极管和三极管等。涉及到的电压和电流的量级单位多为毫伏和毫安，微安，所以是偏弱电的电路。这一类的电路也叫电子电路。,3,本书内容概述,电子技术,模拟电子技术,数字电子技术,4,电子技术概述,模拟电子技术：处理的信号在时间上或数值上是连续变化的。这类信号称为模拟信号，相应的电路称为模拟电路。数字电子技术：处理的信号在时间上和数值上都是不连续的。即所谓离散的。这类信号称为数字信号，相应的电路称为数字电路。,5,课程的意义,My momma always said,Life is like a box of chocolates.You never know what youre gonna get,Forrest Gump,mp3,mp4,PC,iphone,ipad都离不开电子技术。,6,从集成电路到集成光路,光子（波）的优势光子（波）与光子（波）之间的相互作用很弱，能量损耗非常低。光子（波）的传播速度非常快。激光脉冲越来越短（10-15s）。信息处理的速度会更快。,集成光路，光子芯片，光子计算机如何实现？,光的二极管，光的三极管，全光的二极管，三极管！,7,硅材料的全光二极管,单向导电的特性,二极管,FromOptics ExpressVol.19,Page 26948,8,课程的难点,从二极管到三极管转变三极管的等效电路分析,To be continued,9,课程的学习方法,多看课本和参考书籍相互之间的讨论（同学之间，同学老师之间）别期待着期末临时抱佛脚,平时：30%（作业和到课情况（没到超过3次）考试：70%作业交完一章交一次，一次只交一个班的量，交替。,10,参考书籍,电路与电子技术（中册 模拟电子技术）张纪成 主编 电子工业出版社数字电子技术基础阎石(3rd)童诗白(4th)编，高等教育出版社漫画电子电路 田中贤一 著，科学出版社半导体物理学 刘恩科 等编著，电子工业出版社固体物理学 黄 昆 著，高等教育出版社Introduction to Solid State Physics C.Kittel,Wiley,To be continued,11,何为电子电路,电子电路 与电气电路的主要区别，除了含有电阻（R），电感（L）和电容（C）外，还包括有二极管、晶体管等半导体元件的电路。,12,电子电路与电气电路的区别,13,符号,14,本章要点,半导体的导电性PN结半导体二极管特殊二极管半导体三极管,15,一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。,本章要求,16,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,金科玉律,17,本章要点,半导体的导电性PN结半导体二极管特殊二极管半导体三极管,18,什么是半导体,半导体(semiconductor)，指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。本书讨论的半导体主要是具有晶体结构，即原子的排列具有空间的周期性。常用的半导体有硅和锗。,19,本征半导体,本征半导体：完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,20,半导体的导电性,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,21,本征半导体的导电机理,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,22,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动 电子电流(2)价电子递补空穴 空穴电流,本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,自由电子和空穴都称为载流子。,23,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,杂质半导体-N(Negative)型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,24,杂质半导体-P(Positive)型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,25,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4.在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是，N 型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,Quiz,26,本章要点,半导体的导电性PN结半导体二极管特殊二极管半导体三极管,27,PN结,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,28,PN结的单向导电性,1.PN 结加正向电压（P接正、N接负，正向偏置）,PN 结变窄,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,29,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,2.PN 结加反向电压（P接负、N接正，反向偏置）,PN 结变宽,30,本章要点,半导体的导电性PN结半导体二极管特殊二极管半导体三极管,31,二极管的结构示意图,将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管,P,N,32,伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,mA,-50,0.4,V,mA,mA,-50,0.4,mA,-50,mA,0.4,mA,-50,33,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管的单向导电性,34,电路如图，求：UAB,V阳=6 V V阴=12 V V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,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。,在这里，二极管起钳位作用。,35,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例2：,二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,36,两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3:,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。,37,本章要点,半导体的导电性PN结半导体二极管特殊二极管半导体三极管,38,稳压二极管,1.符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,39,主要参数,(1)稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流 IZ、最大稳定电流 IZM,(5)最大允许耗散功率 PZM=UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几 几十mA,光电二极管,发光二极管,41,本章要点,半导体的导电性PN结半导体二极管特殊二极管半导体三极管,42,半导体三极管（晶体管）,三极管又称为晶体管，它的关键的两个作用是：放大和开关！,43,半导体三极管,基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,44,3DG100晶体管,*国产三极管的命名方式,*知道,45,结构特点,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结,集电区：面积最大,46,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE=IB+IC2）IC IB，IC IE 3）IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。,Current Controlled Current Source 电流控制电流源,48,三极管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,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。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,49,电流分配和放大原理,1.三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,从电位的角度看：NPN 发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,50,三极管内部载流子的运动规律,IC=ICE+ICBO ICE,IB=IBE-ICBO IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流,温度ICEO,(常用公式),若IB=0,则 IC ICE0,51,特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,52,1.输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压：NPN型硅管 UBE 0.60.7VPNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,53,2.输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1)放大区,在放大区有 IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。深度饱和时，硅管UCES 0.3V，锗管UCES 0.1V。,体现了三极管的开关作用,主要参数,1.电流放大系数：,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,例：在UCE=6 V时，在 Q1 点IB=40A,IC=1.5mA；在 Q2 点IB=60 A,IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,4.集电极最大允许电流 ICM,5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。,当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,6.集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。PC PCM=IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,59,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,60,晶体管参数与温度的关系,1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优 于锗管。,2、温度每升高 1C，UBE将减小(22.5)mV，即晶体管具有负温度系数。,3、温度每升高 1C，增加 0.5%1.0%。,