电工学半导体器件.ppt

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1、电工电子技术,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。,对于元器件，学习重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不过于追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,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。工程上允许一定的误差，可采用合理估算的方法。,第14章 半导体器件,14.3 二极管,14.4 稳压二极管,14.5 双极型晶体管,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,14.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性：,掺杂性：往纯净

2、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、晶体管和晶闸管等）。,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、光敏晶体管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,14.1.1 本征半导体,完全纯净的、晶格完整的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价键结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,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）。

3、,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下,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)。,空穴,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,注意：(1)本征半导体中的载流子数目极少,其导电性能很差;(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时,又不断复合。在

4、一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中的载流子便维持一定的数目。,14.1.2 N型半导体和 P 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,在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),形成杂质半导体。,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。,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N 型半导体。,14.1.2 N型半导体和 P 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

5、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。,14.2 PN结及其单向导电性,14.2.1 PN结的形成,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,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,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,14.2.2 PN结的单向导电性,1.PN 结加正向电压(正向偏置),P接正、N接负,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

6、变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,PN 结变窄,IF,2.PN 结加反向电压(反向偏置),P接负、N接正,PN 结变宽,2.PN 结加反向电压(反向偏置),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,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增大。,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。,14.3 二极管,14.3.1 基本结构,(a)点接触型,结面积小、结电容小、正向电流小，适用于高频和小功率工作，也用作数字电路中的开关元件。,结面积大、结电容大、正向电流大，适用于低频整流电路。,

7、(b)面接触型,14.3 二极管,(c)平面型,14.3.1 基本结构,用于集成电路制作工艺中。PN 结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(d)符号,14.3.2 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,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,二极管正向导通电路,二极管反向截止电路,14.3.3 主要参数,1.最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.反向工作峰值电压URWM,是保证二

8、极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3.反向峰值电流IRM,指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,二极管的单向导电性,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

9、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。,分析方法：将二极管断开。,若 V阳 V阴，则二极管导通；若 V阳 V阴，则二极管截止。,实际二极管应考虑其正向压降(硅管0.60.7V，锗管0.20.3V)。理想二极管正向压降为零，反向截止。,二极管的应用广泛。根据二极管的单向导电性，它可用于整流、检波、限幅、元件保护及在数字电路中作为开关元件等。,使用注意,二极管的应用,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,例1：已知：,二极管是理想的，试画出 uO 波形。,8V,解：二极管阴

10、极电位为 8 V。,参考点,二极管的应用举例,1.二极管的限幅作用,该电路为正限幅电路,2.二极管的检波作用,解：,解：二极管起检波作用，除去正尖脉冲。,+,-,VA VB,DA优先导通，使VY=3V。,VB VY，DB截止，将VB与VY隔离。,3.二极管的箝位和隔离作用,例3：图示电路中，输入端VA=+3V,VB=0V，试求输出端 Y 的电位 VY。,DA 起箝位作用。,DB 起隔离作用。,14.4 稳压二极管,1.符号和外形图,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2.伏安特性,使用时要加限流电阻,O,稳定电压UZ,最大电流,工作电流,稳压二极管正常工作时加反向电压。,稳压二极管反向击穿后，电流

11、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。,稳压二极管,稳压二极管稳压电路,解(1)Ui10 V 时 DZ 反向击穿稳压：UO=UZ=5 V。(2)Ui=3 V 时DZ 反向截止：UO=Ui=3 V。(3)Ui=5 V 时DZ 正向导通：UO=0 V。(4)ui=10sin t V 时 当 0ui5 V 时，DZ 反向截止：UO=Ui=10sin t V。当 ui5 V 时，DZ 反向击穿稳压：,例 如图所示电路，设 UZ=5 V，正向压降 忽略不计。当直流输入Ui=10 V、3 V、5 V 时，Uo=？当输入为交流 ui=10sin t V 时，分析 uO的波形

12、。,UO=UZ=5 V。当 ui0 V 时，DZ 正向导通：UO=0 V。,3.主要参数,(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。,(2)电压温度系数 u 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(1)稳定电压UZ 稳压二极管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,14.5 双极型晶体管,14.5.1 基本结构,常见晶体管的外形图,14.5.2 电流分配和放大原理,1.晶体管放大的外部条件,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

13、正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,晶体管电流放大的实验电路,设 UCC=6V，改变可变电阻 RB,则基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电流 IE 都发生变化，测量结果如下表所示。,2.各电极电流关系及电流放大作用,晶体管电流测量数据,结论:,(1)IE=IB+IC，符合基尔霍夫定律(2)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。,(a)NPN 型晶体管；,电流方向和发射结与集电结的极性,(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结

14、必须反向偏置。,(b)PNP 型晶体管,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,结构特点：,集电区：面积最大,3.晶体管内部载流子的运动规律,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。,扩散到集电结边缘的电子在电场作用下以漂移进越过集电结，被集电区收集，形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,3.晶体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

15、,集射极穿透电流,温度ICEO,(常用公式),若IB=0,则 IC ICEO,14.5.3 特性曲线,晶体管特性曲线即晶体管各电极电压与电流的关系曲线，是晶体管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。,研究特性曲线的目的：(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。,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,1.输入特性,特点:非线性,正常工作时发射结电压：NPN型硅管 UBE(0.6 0.7)VPNP型锗管 UBE(0.2 0.3)V,3DG100晶体管的输入特性曲线,

16、死区电压：硅管0.5V锗管0.1V,2.输出特性,共发射极电路,3DG100晶体管的输出特性曲线,在不同的 IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。,2.输出特性,晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线分为三个工作区。,3DG100晶体管的输出特性曲线,(1)放大区,对 NPN 型管：UBE 约为 0.7V，UCE UBE。,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。IC=IB,具有恒流特性。,(2),截止区,IB=0 的曲线以下的区域称为截止区。,发射结和集电结均处于反向偏置。,若忽略ICEO：IC 0,UCE UCC,截止区,对于硅管,ICEO 1

17、A。对于锗管,ICEO 约为几十至几百微安。,(3)饱和区,在饱和区，IB IC，深度饱和时，硅管UCES 0.3V，锗管UCES 0.1V。IC UCC/RC。,发射结和集电结均处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。,饱和区,当晶体管饱和时，UCE 0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。,晶体管三种工作状态时的电压和电流如下图所示。,晶体管结电压的典型值,例:在下图电路中,UCC=6V，RC=3k，RB=10k,=25，当输入电压 UI分别为 3V、1V和

18、 1V时，试问晶体管处于何种工作状态？,解:,晶体管饱和时的集电极电流近似为,晶体管刚饱和时的基极电流为,(2)当UI=1V时,晶体管处于放大状态。,(3)当UI=1V时，晶体管可靠截止。,(1)当UI=3V时,晶体管处于饱和状态。,14.5.4 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，,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO 较小的情况下，两者数值接近。,由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在特性曲线的近于水平部分，IC随IB成正比变化,值才可认为是基本恒定的。,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数。晶体管的参数是

19、设计电路、选用晶体管的依据。,在以后的计算中，一般作近似处理=。,解：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受温度影响大。温度 ICEO，所以IC也相应增加。晶体管的温度特性较差。,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上升会导致晶体管的 值的下降,当 值下降到正常值的三分之二时,集电极电流即为 ICM。,当集射极电压UCE 超过一定的数值时，晶体管就会被击穿。手册上给出的数值

20、是25C,基极开路时的击穿电压为U(BR)CEO。,6.集电极最大允许耗散功率PCM,PCM取决于晶体管允许的温升，消耗功率过大,温升过高会烧坏晶体管。PC PCM=IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出晶体管的安全工作区。,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%。,14.6 光电器件,符号,14.6.1 发光二极管(LED),当发光二极管加上正向电压并有足

21、够大的正向电流时，就能发出一定波长范围的光。目前的发光二极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。发光二极管的工作电压为1.5 3V,工作电流为几至十几微安。,发光二极管主要用于显示电路,常用的有2EF等系列。,发光二极管(LED),14.6.2 光电二极管,光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时,和普通二极管一样,其反向电流很小,称为暗电流。当有光照时，产生的反向电流称为光电流。照度 E越强，光电流也越大。常用的光电二极管有2AU、2CU等系列。光电流很小，一般只有几十微安，应用时必须放大。,(a)伏安特性,(b)符号,E2 E1,通过光电二极管可将光信号转换成电信号,14.6.3 光电晶体管,光电晶体管用入射光照度E的强弱来控制集电极电流。当无光照时,集电极电流 ICEO很小,称为暗电流。当有光照时,集电极电流称为光电流，一般约为零点几毫安到几毫安。常用的光电晶体管有3AU、3DU等系列。,(b)输出特性曲线,(a)符号,光电晶体管在一般的检测电能和光电转换中作为转换元件。,作业,14.3.6（先自行分析，再用Multisim 仿真，二极管用IN4001,电阻选1k）14.4.314.5.914.5.1014.6.1,