《电工电子技术》课件第5章常用半导体器.ppt

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1、5.1 PN结及其单向导电性,5.2 半导体二极管,5.3 稳压二极管,5.6 光电器件,5.4 半导体三极管,5.5 绝缘栅场效应管,本章学习目标,理解电子和空穴两种载流子及扩散运动和漂移运动的概念。掌握PN结的单向导电性。掌握二极管的伏安特性、主要参数及主要应用场合。掌握稳压管的稳压作用、主要参数及应用。理解三极管的工作原理、特性曲线、主要参数、放大作用和开关作用。会分析三极管的三种工作状态。理解场效应管的恒流、夹断、变阻三种工作状态，了解场效应管的应用。,5.1 PN结及其单向导电性,5.1.1 半导体基础知识,导 体:自然界中很容易导电的物质.例如金属。,绝缘体：电阻率很高的物质，几乎

2、不导电;如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。,半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等,半导体的特点,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,1.本征半导体,本征半导体的导电机理,纯净的半导体。如：硅和锗,1）最外层四个价电子。,2）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,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成

3、稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,3）在绝对0度和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。,4）在热或光激发下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,空穴,束缚电子,自由电子,在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,5）自由电子和空穴的运动形成电流,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。,本征半导体的导电机

4、理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高载流子的浓度越高本征半导体的导电能力越强。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,归纳,2.杂质半导体,杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。,在本征半导体中掺入某些微量杂质。,1）N型半导体,在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。,多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；,少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。,N型半导体,多余电子,磷原子,2）P型半导体,在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。,多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；,少数载流子（少子）：电子

5、。取决于温度。,空穴,硼原子,归纳,3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。,4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子；P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。,2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。,5、杂质半导体对外并不显示电性。,杂质半导体的示意表示法,5.1.2 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。,因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移

6、,内电场阻止多子扩散,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。,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。,空间电荷区,N型区,P型区,1）PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。,2.PN结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在PN

7、结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,空间电荷区中没有载流子。,空间电荷区中内电场阻碍多子（P中的空穴、N中的电子）的扩散运动。,P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。,空间电荷区中内电场推动少子（P中的电子、N中的空穴）的漂移运动。,5.1.3 PN结的单

8、向导电性,PN结加正向电压（正向偏置）：P区接电源的正极、N区接电源的负极。,PN结加反向电压（反向偏置）：P区接电源的负极、N区接电源的正极。,PN结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,PN结的单向导电性,正向特性,反向特性,归纳,P（+），N（-），外电场削弱内电场，结导通，I大；,I的大小与外加电压有关；,P（-），N（+），外电场增强内电场，结不通，I反很小；,I反的大小与少子的数量有关，与温度有关；,5.2 半导体二极管

9、,5.2.1 基本结构,PN结+管壳和引线,阳极,阴极,符号：,VD,半导体二极管,半导体二极管,半导体二极管,5.2.2 伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),正向特性：,反向特性：,U死区电压，导通；UI,I反很小，与温度有关；U击穿电压，击穿导通；I,5.2.3 主要参数,1.最大整流电流 IOM,2.最大反向工作电压URM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。,3.最大反向电流 IRM,

10、指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,1.理想二极管,U 0，VD导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一个闭合的开关,U 0，VD截止；I=0，UD（负值）取决于外电路；相当于一个断开的开关,5.2.4 应用举例,2.二极管的应用,电路如图示：已知E=5V，ui=10sint V,解：,此类电路的分析方法：,当D的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将D作为一短路线；,当D的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将D作为一断开的开关；,将二极管看

11、成理想二极管,5V,削波,求：uO的波形,设=RC tp，求uo的波形,电路如图示：已知 VA=3VVB=0V 求：VF=？,解：,此类电路的分析方法：,将二极管看成理想二极管。,当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。,VDB通，VF=0V,箝位,隔离,5.3 稳压二极管,UZ,IZ,曲线越陡，电压越稳定。,1.结构和符号：结构同二极管,2.伏安特性：,稳压值,同二极管,VDZ,稳压误差,3.主要参数,1）稳定电压 UZ,2）动态电阻,3）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,4）最大允许功耗,UZ,IZmin,IZmax,4.稳压管与二极管的主要

12、区别,稳压管比二极管的反向特性更陡。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。,电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,已知图示电路中，UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大稳定电流IZmax=25mA，负载电阻RL=600，求限流电阻R的取值范围。,R,IR,解：,由：,得：,5.4 半导体三极管,5.4.1 三极管的基本结构,NPN型,PNP型,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,1.放大状态,5.4.2 三极管的工作原

13、理,放大的条件：发射结正偏，集电结反偏,EB保证发射结正偏，ECEB保证集电结反偏。,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,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。,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IC。,EB,RB,Ec,IC,IC与IB之比称为电流放大倍数,静态电流放大系数：,动态电流放大系数：,通常：,NPN型三极管,PNP型三极管,注意！,只有：发射结正偏，集电结反偏，晶体管才能工作在放大状态。内部条件是制造时使基区薄且掺杂浓度低，发射区掺杂浓度远高于集电区。,2.饱和状态,当三极管的

14、UCEUBE时，BC结处于正向偏置，此时，即使再增加IB，IC也不会增加了。饱和状态,饱和的三极管相当于一个闭合的开关,3.截止状态,当三极管的UBEUT时，BE结处于反向偏置。截止状态,饱和的三极管相当于一个断开的开关,5.3.4 三极管的特性曲线,实验线路：,输入特性：,输出特性：,发射结电压UBE与基极电流IB的关系；,集电极电流IC与管压降UCE的关系。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V,（1）输入特性,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V,（2）输出特性,IC(mA),当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,此区域满足IC=IB称为线性区

15、（放大区）。,此区域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。,特性归纳,输入特性,同二极管的正向特性,UBE IB,输出特性,一组曲线（一个IB对应一条曲线）,UBE 0，UCE UBE,发射结正偏，集电结反偏,IC=IB,电流放大作用,UBE0，IB 0,发射结反偏,UBE 0，UCE UBE,IC=IB,发射结正偏，集电结正偏,无电流放大作用,放大区,截止区,饱和区,5.4.4 主要参数,直流电流放大倍数：,1.电流放大倍数,交流电流放大倍数：,两者非常接近，通常用作：,一般为 20 200,2.集-

16、射极反向截止电流ICEO,基极开路时的集电极电流。随温度变化。,所以集电极电流应为：IC=IB+ICEO,而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,3.集电极最大电流ICM,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。,4.集电极最大允许功耗PCM,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCPCM,5.集-射极反向击穿电压,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.集电极最大允许功

17、耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,5.5 绝缘栅型场效应管,场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。其作用有放大、开关、可变电阻。,特点：输入电阻很大；便于集成,5.5.1 基本结构和工作原理,P型硅衬底,SiO2绝缘层,两个N区,衬底引线,1.基本结构,N沟道增强型,金属铝,导电沟道,N沟道耗尽型,预埋了导电沟道,P沟道增强型,P沟道耗尽型,预埋了导电沟道,2.MOS管的工作原理,以N沟道增强型为例,UGS=0时,对应截止区,UGS0时,感应出电子,UTH称为开启

18、电压,UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。,5.5.2 增强型N沟道MOS管的特性曲线,跨导：UGS对ID的控制能力,当漏源间电压U DS 保持一定值时，漏极电流ID与栅源极电压UGS的关系曲线。,1.转移特性,当栅源间电压UGS UTH 并保持一定值时，漏极电流ID与漏源极电压U DS的关系曲线,区：UDS较小时,ID随UDS的增加而增加，相当于一个可变电阻,可变电阻区,区：UDS较大时,ID只随UGS的变化而变化，UGS一定时，相当于一个压控恒流源,恒流区,2.输出特性曲线,耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向

19、电压才能夹断。,转移特性曲线,夹断电压,输出特性曲线,不论栅源电压正、负或0都能控制漏极电流，但一般工作在负栅源电压状态,P沟道绝缘栅场效应管的工作原理和特性与N沟道场效应管完全相同，两者只是在工作时所加电压的极性不同，当然，产生电流的方向也不同。,即：P沟道增强型场效应管在,UGS 0时 导通,5.6 光电器件,1.发光二极管与光电二极管,1）发光二极管,LED 发光器件,结构：由能发光的化合物半导体材料制作成PN结,功能：将电能转换成光能。,导通电压：1 2V,导通电流：几 几十毫安，须接限流电阻,注意：光电二极管工作在反向状态！,2）光电二极管,受光器件,功能：将光能转换成电能。,注意：光电三极管工作时，发射结正偏，集电结反偏！,3）光电三极管,受光器件,功能：将光能转换成电能，且有电流放大作用。,特点：输入输出电气隔离，抗干扰能力强；传输信号失真小，工作稳定可靠。,4）光电耦合器,功能：由光将输入端的电信号传递到输出端。,第5章小结提纲,一、PN结的单向导电性,二、二极管,三、稳压管,四、三极管,正向导通：,反向截止：,结构、伏安特性、主要参数、特点、应用,结构、伏安特性、主要参数、特点、应用,结构、伏安特性、主要参数、特点、应用,六、光电器件,特点、应用,七、集成电路,第5章小结提纲,五、绝缘栅型场效应管,基本结构、工作原理、特性曲线,特点,