荣雅君《模拟与数字电子技术》第二章 半导体器.ppt

本章提要：半导体二极管和晶体管是常用的半导体器件。它们的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数是学习电子技术和分析电子电路的基础。PN结是构成各种半导体器件的基础。因此，本章重点讨论以下几个问题： 1）半导体的导电特性； 2）PN结的形成及其导电特性； 3）半导体二极管的工作原理及其特性曲线、主要参数及应用； 4）特殊二极管； 5）晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。 作为了解的内容，介绍： 1）场效应晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数； 2）晶闸管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数及应用。 学习的重点是半导体器件的工作原理、特性曲线、主要参数及其应用。,第二章 半导体器件,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,按照物质的导电能力分类：,导 体：导电能力强,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间,绝缘体：不导电,一、半导体的导电特性,（一）半导体的特点,1半导体的电导率可以因加入杂质而发生显著的变化。例如在室温 时，纯硅中掺入一亿分之一的杂质(称掺杂)，其电导率会增加几百倍。,2温度的变化，也会使半导体的电导率发生显著的变化，利用这种热敏效应人们制作出了热敏元件。但另一方面，热敏效应会使半导体元、器件的热稳定性下降。,3. 光照不仅可以改变半导体的电导率，而且可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光电晶体管、光电耦合器和光电池等。,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,（二）本征半导体 没有杂质、而且晶体结构完整的半导体，称为本征半导体（纯净半导体）。,共价键,价电子,硅原子,自由电子,空穴,复合,1硅和锗晶体的共价键结构,2. 半导体中的两种载流子自由电子和空穴,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,在本征半导体中，两种载流子成对出现，成对消失，形成动态平衡。因此整个原子是电中性的。温度对载流子的影响很大，温度升高时，载流子的数量增加。,自由电子带负电荷，空穴带正电荷。,自由电子和空穴都是载运电流的粒子，统称为载流子。,半导体的导电特点：在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,（三）杂质半导体 在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素(称杂质)，可以使半导体的导电性能发生显著的改变。掺入杂质的半导体称作杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同。可分为两种：,N型半导体：掺杂五价元素,P型半导体：掺杂三价元素,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,1N型半导体 在本征半导体中掺入少量的五价磷元素，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。,多余电子,五价磷,电子空穴对,自由电子数多于空穴数,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,2P型半导体 在本征半导体中掺入少量三价元素，可以形成P型半导体，常用于掺杂的三价元素有硼、铝和铟。,空穴,三价硼,电子空穴对,空穴数多于自由电子数,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,在N型半导体中，自由电子数大于空穴数， 自由电子-多数载流子(多子)。 空穴-少数载流子(少子)。 在P型半导体中，空穴数大于自由电子数， 空穴-多子。 自由电子-少子。 不论N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,二、P N结 1、PN结的形成,内建电场,多子扩散,少子漂移,(1)内建电场对多数载流子的扩散运动起到阻碍作用； (2)内建电场可推动少数载流子越过空间电荷区向对方漂移。,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,2PN结单向导电特性 外加反向电压PN结反向截止,外加电场,内电场,I0,少子漂移,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,外加正向电压PN结正向导通,外加电场,内电场,I,多子扩散,PN结的单向导电性,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,结论：,利用PN结的单向导电性，可以制成半导体二极管及各种半导体元件,(1)PN结正偏：,PN结导通,空间电荷区变窄,电阻,有利于多子扩散,电流,(2)PN结反偏：,PN结截止,电阻,有利于少子漂移,电流,空间电荷区变宽,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,三、半导体二极管 二极管通常有点接触型和面接触型两种,阳极A,阴极K,V,点接触型,面接触型,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,二极管的管压降与其电流的关系 曲线，称为二极管的伏安特性曲线,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,1二极管的伏安特性,硅管,锗管,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,a点,Uon,b点,I=ISRexp(U/UT)-1,c点,线性区,d点,反向击穿区,二极管管压降,UBR,死区电压 硅管约0.5V锗管约0.1V,非线性区,硅管为0.60.8V； 锗管为0.10.3V,截止区,反向击穿电压,反向饱和电流,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,2二极管的主要参数 1) 最大整流电流 IFM 指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。当电流超过允许值时，将由于PN结的过热，而使二极管损坏。 2) 反向电流IR 指在一定环境温度条件下，二极管承受反向工作电压、又没有反向击穿时，其反向电流的值。它的值愈小，表明二极管的单向导电特性愈好。温度对反向电流影响较大，经验值是，温度每升高10，反向电流约增大一倍。使用时应加注意。 3) 反向工作峰值电压URM 指管子运行时允许承受的最大反向电压。通常取反向击穿电压的二分之一至三分之二。,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,3二极管的近似特性和理想特性 由二极管的伏安特性曲线可见，由于二极管正向导通时电压变化很小，而反向截止时，电流很小。对于所分析的电路来说，将它们忽略时，产生的误差很小。故通常可用理想二极管的特性代替二极管的伏安特性。,近似特性,理想特性,UD,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,近似特性：（当电源电压与二极管导通时正向电压降相差不多时） 二极管的电压小于导通正向电压时，二极管截止，电流为0； 二极管导通后，正向电压降恒为UD。 理想特性：（当电源电压远大于正向电压降时） 加正向电压时，二极管导通，正向电压降和正向电阻为0，（二极管相当于短路） 加反向电压时，二极管截止，反向电流为0，反向电阻无穷大。（二极管相当于开路）,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,0,t,0,t,E,E,t1,t2,时,二极管截止,（0t1与t2以后）,时,二极管导通,（t1t2）,限幅电路,例2-2 图2-12a中的R和C构成一微分电路。当输入电压ui如图1-12b中所示时，试画出输出电压uo的波形。设uC(0)=0。,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,二极管正向压降是0.3V,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,四、特殊二极管 1. 稳压二极管,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。,锗稳压管特性曲线,硅稳压管特性曲线,VS,K,A,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,稳压管的主要参数有下面几个： 1）稳定电压UZ 稳压管在正常工作下两端的电压。 2）电压温度系数 说明稳压管受温度变化影响的参数。 例如电压温度系数为0.095%/，则表示温度每升高1，它的稳压值将比额定温度时升高0.095%。,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,3）动态电阻rZ 稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。 4）稳定电流IZ 稳压管正常工作时的参考电流。 5）最大允许耗散功率PZM 稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZM。即稳压管的额定功耗。,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,当Ui=+20V时，VS1反向击穿，其稳压值UZ1=6.3V，VS2正向导通，UD2=0.7V，则Uo=+7V；同理Ui=-20V时,Uo=-7V,VS1,VS2,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,2、发光二极管 下图为发光二极管发射电路通过光缆驱动光电二极管电路。,第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,半导体三极管(简称晶体管或三极管)是最重要的一种半导体器件。它的放大作用和开关作用促使电子技术飞跃发展。晶体管的特性是通过特性曲线和工作参数来分析研究的。为了更好地理解和熟悉管子的外部特性，本节首先简单介绍管子内部的结构和载流子的运动规律。,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,一、基本结构双极型半导体器件 晶体三极管的结构，目前最常见的有平面型和合金型两类(图2-19)。硅管主要是平面型，锗管都是合金型。,平面型,合金型,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,晶体三极管分为NPN型和PNP型两类。,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,二、电流放大原理 晶体管必须满足一定的偏置条件，才能有电流放大作用。 图2-21电路是以NPN型硅三极管接成共射形式（基极回路和集电极回路以发射极作为公共端）的示意图。,由图可见，晶体管的外部偏置条件是：电压源UBB通过电阻RB提供给发射结正向偏置；而电压源UCC通过电阻RC加到集电极，使集电结处于反向偏置。,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,NPN三极管电流方向及各电流的关系,IC,ICE,ICBO,IB,IBE,IE,共射电流放大系数,表示晶体管的电流放 大作用。（共射形式）,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,结论,晶体管有电流放大作用。,晶体管的发射结正偏，集电结反偏时，,晶体管为电流控制器件（基极电流控制集电极电流）,参加导电的有自由电子和空穴，故又叫双极型晶体三极管,NPN,PNP,NPN型与PNP型晶体管电流电压的参考方向,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,三、晶体管的伏安特性曲线,1输入伏安特性曲线（NPN）,定义,硅管,晶体管输入特性与二极管的正向特性一样，也有一段死区。只有在发射结外加电压大于死区电压时，晶体管才会出现 。,硅管的死区电压约为,锗管的死区电压约为,晶体管导通后，其发射结电压变化范围很小,锗管,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,2输出特性曲线,定义,(1) 截止区,外部特征：,三极管相当于开路。,外部（偏置）条件：,发射结反向偏置，集电结反向偏置。,(2) 饱和区,外部特征：,三极管相当于短路。,外部（偏置）条件：,发射结正向偏置，集电结正向偏置。,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,（3）放大区,饱和区,放大区,截止区,恒流特性,外部（偏置）条件：,发射结正向偏置，集电结反向偏置。,外部特征：, 电流恒定, 电流放大,电流控制,2,4,6,iB大iC也大，iB等于0iC也等于0iB控制iC,电压在很大范围内变化，电流几乎不变,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,四、主要参数,1电流放大系数衡量晶体管电流放大能力的重要指标,直流 ：,交流 ：,在数值上,2反向电流,晶体管的极间反向电流是少数载流子反向漂移形成的，因此，受温度影响比较严重，是反映管子质量的指标，极间反向电流越小，管子质量越高。,（1）集电极基极间反向饱和电流,(2) 集电极-发射极间穿透电流,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,3极限参数,(3)集电极最大允许耗散功率PCM,(1)集电极最大允许电流ICM,(2)集电极发射极反向击穿电压BU(BR)CEO,过损耗区,晶体管电极的判别,PNP,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,NPN,1数字式万用表量程置于欧姆档时,“+”端红表笔输出电压的极性为正极, 而“-”端黑表笔输出电压的极性为负极。指针式万用表的电压极性与之相反。,2基极可以视为发射结和集电结两个PN结的公共电极。以基极固定于某一测试 表笔，而将另一表笔分别和另两个电极相连。当测得电阻阻值很低时，表示两个 结均被加上正向电压，反之，被加上反向电压。,3三极管处于放大状态的值，远比处于倒置（C、E极互换）状态的值大。,测量要点,第一章 半导体器件 第二节 半导体三极管,1. 确定基极：将红表笔和黑表笔先后固定到三极管的某条引腿。若(指针式表用1k档，数字式表用测二极管挡)测得该腿和另两条腿之间有低欧姆电阻，则该引腿即为基极，如果连基极的表笔为黑色（指针式表为红色），则该管为PNP管，若为红色（指针式表为黑色），则该管为NPN管。,测量步骤,2. 确定集电极和发射极：对NPN管，将红、黑表笔分别和待判别的两个 电极相连接，在红表笔（指针式表为黑表笔）所连电极和已判明的基极之间 接个10k左右的电阻，意味着加一偏流，观察电表指示欧姆值的大小， 在调换表笔的两次测量中，加偏流后电表指示欧姆值小，则意味着此种连接 情况下的值大，红表笔（指针式表为黑表笔）所接电极为集电极。,对PNP管，方法与上述相似，只是偏流电阻接于黑表笔（指针式表为红表笔） 所接电极和已判明的基极引腿之间。,第一章 半导体器件 第三节 晶闸管,一、基本结构,阳极A,阴极K,门极 （控制极）G,结构示意图,符号,第一章 半导体器件 第三节 晶闸管,二、工作原理,(1)A、K之间 加反向电压，门极开路,J2正偏， J1、 J3反偏，V1不导通，晶闸管处于截止状态,(2)A、K之间 加正向电压，门极开路,UAK,UAK,J1、 J3正偏， J2反偏，V1不导通，晶闸管处于截止状态,第一章 半导体器件 第三节 晶闸管,IG,21IG,1IG,IB1,J1、 J2 、J3均正偏， V1 、V2导通,如此循环，形成正反馈，使V1、 V2很快达到饱和导通，此过程时间很短，只有几微秒，晶闸管迅速导通。导通后，A、K间压降很小，电压全部加在负载上。晶闸管中流过的电流与负载电流相同。,UGK,IG=IB1,V1放大,IC1=1IB1=1IG= IB2,V2放大,IC2=2IB2=21IG=IB1,（4）控制极的作用 晶闸管导通后，由于前面正反馈的作用，即使UGK0仍能保持继续导通，因此，门极仅仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，门极就失去控制作用。 一般门极采用脉冲信号触发信号。,（3）A、K之间 加正向电压， G、K之间加正向电压,第一章 半导体器件 第三节 晶闸管,（5）晶闸管的关断,2. 使阳极电流iA小于维持电流IH，即iA IH ，晶闸管将截止。,1. A、K极之间加反向电压，令uAK 0，晶闸管则处于截止状态,结论：,晶闸管导通条件：,1. 阳极A和阴极K之间加正向电压,2. 控制极G和阴极K之间加正向电压,3. 阳极电流大于擎住电流,可见晶闸管是一个可控的导电开关； 它与二极管相比，不同之处是其正向导通受控制极电流控制。,晶闸管关断条件：,1. A、K极之间加反向电压；,2. iA IH 。,结论：,结论：,第一章 半导体器件 第三节 晶闸管,三、伏安特性,导通后的特性,IL,IH,UBR,UBO,未导通的特性,IG=0特性,IG0特性,A,B,C,D,正向转折电压,维持电流,擎住电流,反向击穿电压,第一章 半导体器件 第三节 晶闸管,四、主要参数,在控制极开路、元件额定结温、晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加 在晶闸管两端的正向峰值电压(允许每秒重复50次，每