城市轨道交通电工电子课件项目七半导体器件.ppt

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1、,项目七 半导体器件,半导体特性与二极管类型,1,晶体管及其输出特性曲线,2,晶闸管的工作条件,3,可关断晶闸管(GTO)的工作特性,4,知识要点,学习目的与要求,了解本征半导体、P型和N型半导体的特征；了解PN结的形成过程；熟悉二极管的伏安特性及其种类、用途；深刻理解晶体管的电流放大原理，掌握晶体管的输入和输出特性。,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常用的半导体有硅、锗等。,半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的。,光敏性半导体受光照后，其导电能力大大增强；,掺杂性在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电 能力极大地增

2、强；,半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。,热敏性受温度的影响，半导体导电能力变化很大；,7.1 半导体二极管,半导体基础知识,(1)纯净的半导体（本征半导体）,最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。,Si(硅原子),Ge(锗原子),硅原子和锗原子的简化模型图,因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。,天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。,在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子

3、对，构成共价键结构。,晶格结构,共价键结构,从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。,在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。,受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。,受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。,(2)杂质半导体,本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。,五价元素磷(P),掺入磷杂

4、质的硅半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。,掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。,三价元素硼(B),掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴是这种半导体的导电主流。,掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。,结是采用特定的制造工艺，使一块半导体的两边分别形成型半导体和型半导体，它们的交界面就形成结。,杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术

5、起始点。,P区,N区,空间电荷区,内电场,一、PN结的形成,动画演示,PN结的单向导电性,PN结反向偏置时的情况,结具有单向导电性,正偏：在结上加正向电压时，结电阻很低，正向电流较大，结处于导通状态。,反偏：加反向电压时，结电阻很高，反向电流很小，结处于截止状态。,二、二极管的结构和符号,半导体二极管，其结构与图形符号如图5-1。,结构,图形符号,把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。,硅高频检波管,开关管,稳压管,整流管,发光二极管,电子工程实际中，二极管应用得非

6、常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。,二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性”。,死区,正向导通区,当外加正向电压很低时，二极管呈现较大的电阻，几乎没有正向电流通过。 这一区域称之为死区(硅管0.5V，锗管0.1V) 。,外加正向电压超过死区电压时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。该区电流上升曲线很陡。,三、二极管的伏安特性,1正向特性,当二极管承受反向电压时，其反向电阻很大，此时仅有非常小的反向电流（称为反向饱和电流或反向漏电流）。进入反向截止区。实际应用中二极管的反向饱和电流值

7、越小越好，可近似视为零值。,通常加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压，否则会造成二极管的损坏（稳压管除外）。,外加反向电压超过反向击穿电压时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。,反向截止区,反向击穿区,2反向特性,（1）最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。,（2）最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反射工作电压值。,（3）反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。对温度很敏感，温度增加，反向

8、电流会增加很大，这一点要特别加以注意。,四、二极管的主要参数,二极管的应用举例,注意：分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想化处理，即正偏时视其为“短路”，截止时视其为“开路”。,UD=0,UD=,正向导通时相当一个闭合的开关,+,反向阻断时相当一个打开的开关,(1)二极管的开关作用,(2)二极管的限幅作用,图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲，高电平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。试分析电路的输出电压为多少。,分析,当输入电压ui=5V时，二极管反偏截止，此时电路可视为开路，输出电压u0=0V；,当输入电压ui= +5V时，二极管正偏导通，导通时二极管管压降近似为零，故输

9、出电压u0+5V。,显然输出电压u0限幅在0+5V之间。,u0,半导体二极管工作在击穿区，是否一定被损坏？为什么？,你会做吗？,何谓死区电压？硅管和锗管死区电压的典型值各为多少？为何会出现死区电压？,复习与检验,为什么二极管的反向电流很小且具有饱和性？当环境温度升高时又会明显增大 ？,稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化、这就是稳压二极管的显著特性。,稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其反向击穿可逆。,正向特性与普通二极管相似,反向,IZ,1. 稳压二极管,实物图,图符号及文字符号,显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。,五、特殊二极管,工作区域,使用稳压二极管时应该

10、注意的事项,(1)稳压二极管正负极的判别,+,(2)稳压二极管使用时，应反向接入电路,UZ,(3)稳压管应接入限流电阻,(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值,(5)稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V，高的可达 300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。,思索与回顾,二极管的反向击穿特性：当外加反向电压超过击穿电压时，通过二极管的电流会急剧增加。 在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围内变化，这时管子两端电压变化很小，利用这一点可以达到“稳压”效果。稳压二极管就是工作在反向击穿区。 击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，如在稳压管稳压电路

11、中加限流电阻R，使稳压管工作电流在Izmax和Izmix的范围内，就能保证管子不因过热而烧坏。,发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。一般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。,实物图,图符号和文字符号,发光二极管现有的发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。,发光管正常工作时应正向偏置，因死区电压较普通二极管高，因此其正偏工作电压一般在1.3V以上。,发光管常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列器件。,2发光二极管,光敏二极管也称光电二极管，是将光信号变成电信号的半导体器件。,光电二极管和稳压管类似，也是工作在反向电压下。无光照时，反向电流很小；有光照射时，提高了半导体的导电性，

12、在反偏电压作用下产生反向电流。其强度与光照强度成正比。,光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。,实物图,图符号和文字符号,3光敏二极管,光敏二极管可用于光的测量，亦可作为一种能源使用，称为光电池。,4变容二极管,变容二极管是工作在反向偏置状态。二极管结电容大小除了与本身工艺有关外，还与外加电压有关。由特性曲线可知，改变变容二极管直流反偏电压就可以达到改变电容量的目的。,应用：变容二极管可用于高频电路，例如用作电视接收调谐回路中的可变电容器，用改变直流偏压的方法来选择频道。,1.利用稳压管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？,你

13、会做吗？,检验学习结果,1. 现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问：(1)若将它们串联相接，可得到几种稳压值？各为多少？(2)若将它们并联相接，又可得到几种稳压值？各为多少？,2.在右图所示电路中，发光二极管导通电压UD1.5V，正向电流在515mA时才能正常工作。试问图中开关S在什么位置时发光二极管才能发光？R的取值范围又是多少？,半导体三极管又称晶体三极管或双极型晶体管，简称晶体管。,7.2 半导体三极管,大功率低频三极管,小功率高频三极管,中功率低频三极管,注意：图中箭头方向为发射结正向偏置时电流的方向。,晶体管分有NPN型和PNP型，虽然它们外形

14、各异，品种繁多，但它们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极：,一、晶体管的结构和符号,发射区N,晶体管芯结构剖面图,e发射极,集电区N,基区P,b基极,c集电极,(1)发射区掺杂浓度很高，以便有足够的载流子供“发射”。,(2)为减少载流子在基区的复合机会，基区做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度较发射极低。,(3)集电区体积较大，且为了顺利收集边缘载流子，掺杂浓度很低。,可见，双极型三极管并非是两个PN 结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。,1晶体管的工作电压,实现放大作用的条件：(1)发射

15、结“正向偏置”(2)集电结“反向偏置”,结论,由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。,1. 发射区向基区扩散电子的过程,由于基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流IB，剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。,2. 电子在基区的扩散和复合过程,集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。,3. 集电区收集电子的过程,只要符合三极管发射区的杂质浓度大大于基区的掺杂浓度，基区的掺杂浓度又大大于集电区的杂质浓

16、度，且基区很薄的内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反偏的外部条件，三极管就具有了放大电流的能力。,2 晶体管各个电极的电流分配,实验电路为晶体管的共集电极放大电路。,基极电流 IB（ 小电流）控制着集电极电流IC（大电流），所以晶体管是一个电流控制器件，这种现象称为晶体管的电流放大作用。,三、晶体管的特性曲线,1输入特性曲线,特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线,指在晶体管的集射电压Uce 为定值的情况下，基极电流Ib与基射电压Ube 两个变量的函数关系曲线。,若Uce =0，相当于把晶体管的C、E 极之间短路，,UCE=0V,UBB,+,RB,令UBB从0开始增加,UCE=0时的

17、输入特性曲线,b,c,e,此时若给发射结加上正向电压，有：,把晶体管的C、E 极之间短路并给发射结加上正向电压时，发射结和集电结正向并联，均处于导通状态，因此，晶体管的输入特性曲线与二极管正向伏安特性十分相似。,令UBB重新从0开始增加,增大UCC,让UCE=0.5V,UCE =1V,UCE=0.5V,UCE=0.5V的特性曲线,继续增大UCC,让UCE=1V,令UBB重新从0开始增加,UCE=1V,UCE=1V的特性曲线,继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不再变化。,实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特

18、性通常采用UCE=1V时的曲线。,UCE1V的特性曲线,(2) 输出特性曲线,先把IB调到某一固定值保持不变。,当基极电流IB不变时，输出回路中的集电极电流IC与集射电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。,然后调节UCC使UCE从0增大，观察毫安表中IC的变化并记录下来。,根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性曲线。,IB,0,再调节IB1至另一稍小的固定值上保持不变。,仍然调节UCC使UCE从0增大，继续观察毫安表中IC的变化并记录下来。,根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。,IB1,IB2,IB3,IB=

19、0,如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。,输出曲线开始部分很陡，说明IC随UCE的增加而急剧增大。,当UCE增至一定数值时(一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明IC基本上不再随UCE而变化。,IB一定时，当UCE超过1V以后，即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性。,当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移， 且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。,IC,输出特性曲线上一般可分为四个区：,饱和区。当发射结和集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和状态。此时集电极电流IC与

20、基极电流IB之间不再成比例关系，IB的变化对IC的影响很小。,截止区。当基极电流IB等于0时，晶体管处于截止状态。实际上当基射电压处在死区范围时，晶体管就已经截止，为让其可靠截止，常使UBE小于或等于零。,放 大 区,在放大区，发射结正偏，集电结反偏。此时晶体管具有电流放大作用。IB、IC成正比关系。,以上三个区为晶体管的正常工作区。,（4）击穿区 当UCE大于某一值后，IC开始剧 增，这个现象称为一次击穿。一次击穿过程是可逆的。,四、晶体管的主要参数,1电流放大倍数,（1）共发射极直流电流放大倍数 静态时IC与IB的比值称为共发射极静态电流放大倍数，即直流电流放大倍数,（2）共发射极交流电流

21、放大倍数 （ ） 动态时， 与 的比值称为动态电流放大倍数，即交流电流放大倍数,2极间反向电流,（1）集电极基极反向饱和电流,是晶体管的发射极开路时，集电极和基极间的反向漏电流，又叫反向饱和电流，小功率硅管的 小于1A，锗管的 约10A。,（2）穿透电流 为基极开路时，由集电区穿过基区流入发射区的穿透电流，它是 的（1+ ）倍，即,而集电极电流 为,集电极最大允许电流ICM,反向击穿电压U(BR)CEO及U(BR)EB,UCC,U(BR ) CEO,基极开路,U(BR)CEO指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压。,使用中若超过此值,晶体管的集电结就会出现雪崩击穿。,ICICM时，晶体管不

22、一定烧损，但值明显下降。,集电极最大允许功耗PCM,晶体管上的功耗超过PCM，管子将损坏。,安 全 区,3极限参数,U(BR)CEO集电极开路时，允许加在发射极基极之间的最高反向电压,晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，UCEUBE，集电结也处于正偏，这时内电场被大大削弱，因此极不利于集电区收集从发射区到达基区的电子，这种情况下，集电极电流IC与基极电流IB不再是倍的关系。此时晶体管的电流放大能力大大下降。,晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数是否也等于？,学习与讨论,晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区的掺杂质浓度很高，集电区的掺杂质浓度较低，这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和，如果互换显然不行。,晶体管的发射极和集电极能否互换使用？为什么?,学习与讨论,为了发射区扩散电子的绝大多数不能在基区和空穴复合，只有极小一部分与基区空穴复合形成基极电流，其余电子被集电极收集后形成集电极电流。,为什么晶体管基区掺杂质浓度小？而且还要做得很薄？,学习与讨论,Thank You !,