电路与电子技术-第4章--半导体器件基础1演示文档

.,第二篇 模拟电子技术,.,第4章 常用半导体器件,4.1 半导体基础知识 4.2 半导体二极管 4.3 晶体三极管 4.4 场效应管 （了解） 4.5 晶闸管（不讲）,.,本章内容提要重点：（1）二极管的单向导电性；（2）三极管的三种工作状态；难点：（1）整流电路的特点及应用；（2）放大器的静态分析及动态分析；（3）晶体管三种组态放大电路比较。,.,4.1 半导体基础知识,4.1.1 本征半导体,1、半导体,导体：导电能力好的物质。如铜、铝等,半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质.如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。, 半导体的物理特性,光敏性,热敏性,惨杂性,绝缘体：导电能力差的物质。如陶瓷干木,.,温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；,光敏性：,热敏性：,惨杂性：,半导体为什么具有以上的导电性质？,在纯净半导体材料中加入微量的“杂质”元素，它的电导率就会成千上万倍地增长；,纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。,与半导体的结构有关,.,半导体的晶体结构,原子的组成：,4个价电子,硅（Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。,若干个围绕原子核运动的带负电的电子,且整个原子呈电中性。,半导体器件的材料：,锗（Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子。,.,为什么本征半导体具有一定的导电能力？,完全纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体 。它具有共价键结构。,锗和硅的原子结构,单晶硅中的共价键结构,共价键,硅原子,2 本征半导体的的原理,.,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。空穴和自由电子都称为载流子。它们成对出现，成对消失。,在常温下自由电子和空穴的形成,复合,自由电子,本征激发,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,.,1. N型半导体,原理图,P,自由电子,结构图,磷原子,正离子,P+,在硅或锗中掺入少量的五价元素，如磷或砷、锑，则形成N型半导体。,多余价电子,在N型半导体模型：不能移动的正离子，可移动的多子电子和少子空穴。,4.1.2 杂质半导体,在本征半导体中加入微量的五价（三价）元素，可使半导体中自由电子（空穴）浓度大为增加，形成杂质半导体。,.,2、P型半导体,在硅或锗中掺入三价元素，如硼或铝、镓，则形成P型半导体。,原理图,B,B-,硼原子,负离子,空穴,填补空位,结构图,在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。,P型半导体模型：不能移动的负离子，可移动的多子空穴和少子电子,.,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成一个PN结 。,P 区,N 区,P区的空穴向N区扩散并与电子复合,N区的电子向P区扩散并与空穴复合,空间电荷区,内电场方向,4.1.3PN结,空穴,1、PN结的形成,电子,.,空间电荷区,内电场方向,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡。,P区,N区,多子扩散,少子漂移,空穴,电子,多子为空穴,多子为电子,.,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。形成了PN结空间电荷区阻挡层耗尽层内电场,内电场阻挡多子的扩散运动，加强了少子的漂移运动。,结 论 ：,在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。,多子扩散,.,因浓度差,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,总之PN结的形成过程,漂移运动： 由内电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。,扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。,.,2. PN结的单向导电性,P区,N区,内电场,外电场,E,I,空间电荷区变窄,P区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和,N区电子进入空间电荷 区和一部分正离子中和,扩散运动增强，形成较大的正向电流。,1、外加正向电压（P接正，N接负）,.,外电场驱使空间电荷区变宽，有利于两侧的少子的漂移运动，阻碍多子的扩散运动,空间电荷区变宽,内电场,外电场,少子越过PN结形成很小的反向饱和电流IS,IR,E,2、外加反向电压（P接负，N接正）,N区,P区,.,由上述分析可知：,PN结具有单向导电性,即在PN结上加正向电压（P接正，N接负）时，空间电荷区变窄，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于导通状态；,加反向电压（P接负，N接正）时，空间电荷区变宽，PN结电阻很高，少子飘移形成反向电流，为反向饱和电流（因为少子的数量是一定的），PN结处于截止状态,切记,.,3 PN结的伏安特性,定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关系的曲线PN结的伏安特性。 根据理论分析，PN结的伏安特性方程为,外加电压,流过PN结的电流,电子电荷量q =1.610-19C,反向饱和电流,绝对温度(K),玻耳兹曼常数k =1.3810-23J/K,自然对数的底,.,令,在常温下，T = 300K，,则,当U大于UT时,即正向电流随正向电压的增加以指数规律迅速增大。,外加反向电压时，U为负值，当|U|比UT大几倍时，,IIS，即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和电流。,.,曲线OD段表示PN结正向偏置时,的伏安特性，称为正向特性；,画出PN结的理论伏安特性曲线,用UD(on)表示导通电压或死区电压。,反向硅管的电流一般小于0.1A，锗管的一般小于几十微安。,曲线OB段表示PN结反向偏置时的伏安特性，称为反向特性。,室温下，硅管的UD(on) =(0.50.6)V，锗管的 UD(on) =(0.10.2)V。,.,4 PN结的反向击穿,加大PN结的反向电压到某一值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结击穿，发生击穿所需的电压称为击穿电压UBR ，如图所示,图 PN结反向击穿,热击穿不可逆,反向击穿的特点：反向电压增加很小，反向电流却急剧增加,., 雪崩击穿, 齐纳击穿,齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高的PN结中。,一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿； UBR VT时,VT称为死区电压。硅管： VT0.5V，锗管：VT0.1V。导通时的正向压降硅管：0.6 0.7V，锗管：0.2 0.3V。,正向特性,1. 正向特性,2. 反向特性,当u0时，i= Is（反向饱和电流）电流很小，几乎为零。,二极管伏安特性,.,当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。,3.反向击穿特性,反向特性,.,温度对二极管伏安特性的影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,.,1、二极管的主要参数,4.2.3 二极管的主要参数,1)直流电阻RD：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，即,RD不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压增大而增大。,显然，图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD 。,.,2）交流电阻rD rD定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即,rD的几何意义见左图 ，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。,rD可以通过对式 求导得出，即,二极管交流电阻rD的几何意义,室温条件下(T=300K):,.,4)最高反向工作电压 UDRM 它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,3)最大整流电流 IFM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,5)最大反向电流 IRM 它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,6）最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。,.,4.2.4 其他类型二极管,稳压管是一种特殊的面接触型半导 体硅二极管。 稳压管工作于反向击穿区。,1. 稳压管,稳压管在电路中为什么能起稳压作用？,稳压管反向击穿后，电流在很大范围内变化，两端的电压变化很小。利用这一特性，,稳压管的符号,.,1、稳压管的主要参数：,1） 稳定电压UZ,4）稳定电流 IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,3）动态电阻 rZ,2）电压温度系数 U （%/）：稳压值受温度变化影响的系数。,5）最大允许耗散功率 PZM,.,2、稳压二极管工作原理,输出电压稳定的条件,UI不稳定,RL改变,.,电阻的作用:,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。,起限流作用，以保护稳压管,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，从而起到稳压作用。,正常稳压时 UO =UZ,稳压条件是什么？,IZmin IZ IZmax,不加R可以吗？,当Ui为正弦波，且幅值大于UZ ， UO的波形是怎样的？,.,例 在图所示电路中，已知输入电压Ui = 12 V，稳压管DZ的稳定电压UZ = 6 V，稳定电流IZ = 5mA，额定功耗PZM = 90 mW，试问输出电压Uo能否等于6 V。,即 5mA IDZ 15 mA,IDZ不在5mA15 mA的范围内，因此不能正常稳压，Uo将小于UZ。若要电路能够稳压，则应减小R的阻值。,解 稳压管正常稳压时，其工作电流IDZ应满足IZIDZIZmax，而,设电路中DZ能正常稳压，则Uo= UZ = 6V。由图中可求出：,.,2.发光二极管,当电流流过时，发光二极管将发出光来，光的颜色由二极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。,发光二极管的符号,发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几mA至几十mA之间。,另一重要作用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号。,.,3.光电二极管,（a）光电二极管的符号,（b）光电二极管的等效电路,光电二极管可将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与照度成正比。,.,原理：利用PN结的势垒电容随外加反向电压变化的特性可制成变容二极管。变容二极管工作在反偏状态下，此时，PN结结电容的数值随外加电压的大小而变化。因此，变容二极管可做可变电容使用。,4. 变容二极管,变容二极管在高频电路中广泛应用于自动调谐、调频、调相等。,图所示为变容二极管的电路符号。,.,利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。,1、二极管整流电路,把交流电变为直流电，称为整流。,若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；,负半周时，二极管截止(相当开关打开)， uo =0。其输入、输出波形见下图,（1）单相半波整流电路,（a）单相半波整流电路原理,4.2.5 二极管应用电路举例,.,图 单相半波整流电路,.,(b). 直流电压UO和直流电流IO的计算,半波整流后的输出电压：,在半波整流情况下，设：,.,此式说明, 在半波整流情况下, 负载上所得的直流电压只有变压器次级绕组电压有效值的45%。,如考虑二极管的正向电阻和变压器等效电阻上的压降, 则UO数值还要低。,在半波整流电路中, 二极管的电流等于输出电流：,二极管的最大整流电流IFID，二极管的最大反向工作电压 。,.,（2）. 单相全波整流电路,(a). 电路与工作原理,为提高电源的利用率, 可将两个半波整流电路合起来组成一个全波整流电路, 如图(a)所示。二极管VD1、VD2在正、负半周轮流导电, 且流过负载RL的电流为同一方向, 故在正、负半周, 负载上均有输出电压。,图(a),.,图(a),全波整流电路波形图,.,(b). 直流电压UO和直流电流IO的计算,由输出波形可看出, 全波整流输出波形是半波整流时的两倍, 所以输出直流电压也为半波时的两倍, 即,图(a),.,管子通过的电流为,全波整流电路每管承受的反