第14章半导体器件 ppt课件

下一页总目录 章目录 返回 上一页 第第 14章章 半导体器件半导体器件 14.1 半导体的导电性 14.2 PN结及其单向导电性 14.3 二极管 14.4 稳压二极管 14.5 双极型晶体管 14.6 光电器件 下一页总目录 章目录 返回 上一页 掌握二极管的单向导电性及应用； 掌握理想二极管、稳压二极管的伏安 特性及应用； 熟练掌握三极管的电流放大作用和开 关作用，以及三极管三个工作区域的 判定。 重点内容 第第 14章章 半导体器件半导体器件 下一页总目录 章目录 返回 上一页 半导体器件是电子技术的重要组成部分。 半导体器件的发展：分立半导体器件 小规模集 成电路 中规模集成电路 大规模和超大规模集 成电路。 最常用的半导体器件：半导体二极管、半导体三 极管。 半导体二极管和三极管的结构、工作原理、特性 和参数是学习电子技术和分析电子电路必不可少 的基础。 第第 14章章 半导体器件半导体器件 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.1.1 本征半导体 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗， 它们的最外层电子（价电子）都是四个。 Si 硅原子 Ge 锗原子 14.1 半导体的导电特性 2 8 18 4+32 +14 2 8 4 下一页总目录 章目录 返回 上一页 硅和锗的共价键结构 共价键 共用电子对 +4 +4 +4 +4 +4表示除 去价电子 后的原子 完全纯净的、晶格完整的半导体，称为 本征半导 体 。 本征半导体的导电能力很弱。 下一页总目录 章目录 返回 上一页 空穴和自由电子的形成 共价键 共用电子对 自由电子 空穴 Si Si Si Si 因此，当在半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流： 电子电流 ：自由电子做定向运动所形成的电流。 空穴电流 ：邻近价电子递补空穴形成的电流。（注意：价电子仍被原子 核所束缚，不是自由电子。） 空穴被 认为带 一个单 位的正 电荷， 并且可 以移动 。 下一页总目录 章目录 返回 上一页 本征半导体小结 在半导体中，同时存在 电子导电 和 空穴导电 ，这是半导体 导电方式的最大特点，也是半导体和金属导电原理上的本 质差别。 在半导体中有 两种载流子 ： 自由电子和空穴 。 温度对半导体性能的影响很大 ，温度愈高，载流子的数目 就愈多，导电性能也就愈好。 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又 不断复合，在一定温度下， 载流子的产生与复合 达到动态 的平衡，于是半导体中载流子的数目便维持一定数目。 本征半导体中两种载流子的数目很少，导电能力是很弱的 ，但是如果在其中掺入某些微量的杂质，就会使导电性能 大大增强。 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.1.2 N型半导体和 P型半导体 N型半导体 ：又称为电子半导体，自由电子是 多数载流子，空穴是少数载流子。 P型半导体 ：又称为空穴半导体，空穴是多数 载流子，自由电子是少数载流子。 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使 半导体的导电性能发生显著变化。 下一页总目录 章目录 返回 上一页 N型半导体 多余电子磷离子 硅原子 + N型硅表示 Si P Si Si 硅或锗 + 少量磷 N型半导体 + 下一页总目录 章目录 返回 上一页 硼离子 P型硅表示 Si SiSi B 硅原子 硅或锗 + 少量硼 P型半导体 P型半导体 - 空穴 下一页总目录 章目录 返回 上一页 杂质半导体的示意表示法 P型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N型半导体 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.2.1 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。 14.2 PN结及其单向导电性 下一页总目录 章目录 返回 上一页 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场 E 漂移运动 空间电荷区 PN结处载流子的运动 规律 下一页总目录 章目录 返回 上一页 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场 E 漂移运动 PN结处载流子的运动 规律 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，使内电 场增强。 内电场越强，就使漂 移运动越强，而漂移 使空间电荷区变薄。 下一页总目录 章目录 返回 上一页 扩散运动和漂移运动是一对相反 的运动过程，最终二者会达到动 态的平衡，相当于空间电荷区没 有电荷的运动，则空间电荷区的 厚度将不再发生改变。 PN结处载流子的运动 规律 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.2.2 PN结的单向导电性 PN结 加正向电压，即正向偏置： PN结 加反向电压，即反向偏置： P区 加正电压、 N区加负电压。 P区 加负电压 、 N区加正电压。 下一页总目录 章目录 返回 上一页 PN结正向偏置 呈低阻导通状态 + + + + 外电场减弱内电场，使扩散加强， 扩散 飘移，形成较大的正向 /扩散电流。 空间电荷区变薄 P N + _ 正向电流 下一页总目录 章目录 返回 上一页 PN结反向偏置 呈高阻截止状态 + + + + 空间电荷区变厚 NP +_ + + + + 外电场加强内电场，使扩散停止， 有少量飘移，反向电流很小， A级 。 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.3.1 基本结构 PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 P N 阳极 阴极 14.3 二极管 P N 符号 + D 二极管 1N4148 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.3.1 基本结构 按结构分类：有点接触型、面接触型和平面型三类。 点接触型 金锑 合金 面接触型 N型硅 阳极引线 阴极引线 PN 结 底座 铝合金小球 引线 触丝 N 型锗 外壳小功 率 高 频 大 功 率 低 频 下一页总目录 章目录 返回 上一页 按材料分类 ：硅管（一般为面接触型）和 锗管（一般为点接触型）。 按用途分类 ：普通二极管、整流二极管和 开关二极管。 14.3.1 基本结构 下一页总目录 章目录 返回 上一页 二极管的几种外形 14.3.1 基本结构 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.3.2 伏安特性 u i 导通压降 : 硅管 0.60.8V, 锗管 0.20.3V。反向击穿电压 U(BR) 死区电压： （开启电压） 硅管 0.5V 锗管 0.1V ui E + - 反向饱和电流： 很小， A级 反向 击穿 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.3.3 主要参数 （ 1）最大整流电流 I0M 二极管长时间使用时，所允许通过的 最大正向平均电流。 （ 2）反向工作峰值电压 URWM IRM 一般取反向击穿电压的一半或三分之二。 （ 3）反向峰值电流 二极管加反向工作峰值电压时的 反向电流值。 下一页总目录 章目录 返回 上一页 二极管的应用 二极管的应用是利用它的 单向 导电性 ，主要应用于整流、检 波、限幅、保护以及在数字电 路中作为开关元件等。 理想二极管 ：正向压降为 0， 反向电阻为无穷大。 下一页总目录 章目录 返回 上一页 例 1： 二极管半波 整流 RLui uO ui uo t t 下一页总目录 章目录 返回 上一页 例 2：二极管的 检波作用 (设 RC时间常数很小） R RLui uR uo t t t ui uR uo C t 1 t2 U 下一页总目录 章目录 返回 上一页 例 3: 电路如图所示，求输出端 Y的电位 VY。设二 极管导通时的压降为 0.3V。 VY = +2.7V 解： DA优先导通， DA导 通后， DB上加的是反 向电压，因而截止。 DA起 钳位 作用， DB起 隔离 作用。 Y -12V A B +3V 0V DB DA R 下一页总目录 章目录 返回 上一页 二极管应用举例 例 4: 试判断图中两个理想二极管的工作状态， 并求出二极管中的电流。 12V A B 3k6V D2 D1 ID2 ID1 + - + - 解： 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.4 稳压二极管 稳压二极管符号 DZ 稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。 稳压二极管在电路中与适当阻值的电阻配合后起 稳定电压的作用。 稳压二极管工作在 反向击穿状态 下 ,当工作电流 IZ 在 Izmax 和 Izmin之间时 ,其两端电压近似为常数。 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.4 稳压二极管 IZmax u i UZ IZ 稳压二极管特性曲线 IZmin 正向同 二极管 稳定 电流 稳定 电压 + + 下一页总目录 章目录 返回 上一页 稳压二极管的主要参数 正常工作时管子两端的电压。 一般稳压值高于 6V的为正温度系数，低于 6V 的为负温度系数， 6V左右的稳压管受温度的影响 较小。 稳压管的稳定电流是一个参考值 ,一般给出 最大稳定电流 （ 1） 稳定电压 UZ （ 2） 电压温度系数 （ 3） 稳定电流 IZ IZM。 （ 4） 动态电阻 与最大允许耗散功率rZ PZM 下一页总目录 章目录 返回 上一页 稳压二极管的应用举例 RLui uO R DZ i Iz iL UZ 稳压二极管的技术数据为：稳压值 UZ=10V， Izmax=12mA， Izmin=2mA， 负载电阻 RL=2k， 输入电 压 ui=12V， 限流电阻 R=200 。 若 负载电阻 变化范围 为 1.5 k 4 k ， 是否还能稳压？ 下一页总目录 章目录 返回 上一页 ui = 12V UZ=10V R = 200 Izmax= 12mA Izmin = 2mA RL= 2k (1.5 k 4 k) iL= uo/RL= UZ/RL= 10/2 = 5mA i = （ ui - UZ） /R =（ 12-10） / 0.2 = 10mA iZ = i - iL= 10-5 = 5mA 若 RL=1.5 k , 则 iL= 10/1.5 = 6.7mA, iZ = 10-6.7 = 3.3mA 若 RL=4 k , 则 iL= 10/4 =2.5mA, iZ =10-2.5=7.5mA 负载变化 ,但 iZ仍在 12mA和 2mA之间 ,所以稳压管仍能起稳压作用 RLui uO R DZ i iz iL UZ 下一页总目录 章目录 返回 上一页 几种常见的三极管实物图 (d) 功率三极管 (e) 贴片三极管 14.5 双极型晶体管（三极管） (a) 普通塑封三极管 (b) 金属封装 (c) 金属封装 大功率三极管 小功率三极管 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.5.1 基本结构 B E C N N P 基极 发射极 集电极NPN型 P N P 集电极 基极 发射极 B C E PNP型 下一页总目录 章目录 返回 上一页 发射结 集电结B E C N N P 基极 发射极 集电极 + + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + 下一页总目录 章目录 返回 上一页 B E C N N P 基极 发射极 集电极 基区：最薄， 掺杂浓度最低 集电区： 面积最大 发射区： 掺杂浓度最高 下一页总目录 章目录 返回 上一页 B E C NPN型三极管 B E C PNP型三极管 三 极管 的 符号表示 N P N C B E P N P C B E 硅管（ 3D系列） 锗管（ 3A系列） 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.5.2 电流分配和放大原理 IC mA A V V UCEUBERB IB EC EB 实验电路 (共发射极接法 ) C B E RC mA IE 下一页总目录 章目录 返回 上一页 晶体管电流测量数据 IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC/mA iC， uCE0.3V称为 饱和区 。 此区域中 iB=0 , iC= iCEO , uBEIC 。 （ UCE0, UBE0.7V） (3) 截止区：发射结和集电结全反偏。 UBE ICS =2 mA ， Q位于饱 和区 (此时 IC和 IB 已不是 的关系） 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.5.4 三极管的主要参数 （ 1）电流放大系数：静态 和动态 （ 2）集 -基极反向截止电流 ICBO （ 3）集 -射极穿透电流 ICEO （ 4）集 -射间反向击穿电压 U(BR)CEO （ 5） 集电极最大允许电流 ICM （ 6） 集电极最大允许耗散功率 PCM = ICUCE _ 下一页总目录 章目录 返回 上一页 晶体管的安全工作区 iC(mA ) uCE(V) 安全工作区 ICM PCM U(BR)CEO 下一页总目录 章目录 返回 上一页 14.6.1 发光二极管 14.6 光电器件 在正向电压下工作 下一页总目录 章目录 返回 上