北科大电子技术第14章.ppt

1 0 第十四章半导体器件 电子技术 模拟电路部分 14 1 第十四章二极管和三极管 14 1半导体的导电特性 14 2PN结及其单向导电性 14 3二极管 14 4稳压二极管 14 5晶体管 14 6光电器件 14 2 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 14 1半导体的导电特性 导体 半导体和绝缘体 14 3 半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有不同于其它物质的特点 例如 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 热敏特性 光敏特性 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 掺杂特性 14 4 14 1 1本征半导体 一 本征半导体的结构 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 现代电子学中 用的最多的半导体是硅 Si 和锗 Ge 它们的最外层电子 价电子 都是四个 原子结构图 14 5 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 在硅和锗晶体中 每个原子都处在正四面体的中心 而相邻四个原子位于四面体的顶点 每个原子与其相邻的原子之间形成共价键 共用一对价电子 14 6 硅和锗的共价键结构 共价键 共用电子对 4表示除去价电子后的原子 价电子 14 7 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 共价键形成后 每个原子最外层电子是八个 构成比较稳定的结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 14 8 二 本征半导体的导电机理 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚 本征半导体中没有可以自由运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 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 1 载流子 自由电子和空穴 14 9 自由电子 空穴 束缚电子 自由电子 空穴成对出现 14 10 2 本征半导体的导电机理 在其它力的作用下 空穴可吸引附近的电子来填补 其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 因此可认为空穴是载流子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 自由电子和空穴 自由电子 在晶格中运动 空穴 在共价键中运动 14 11 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 本征半导体中电流由两部分组成 当本征半导体外加电场时 1 自由电子做定向运动所形成的电子电流 2 仍被原子核束缚的价电子按一定方向依次填补空穴形成的空穴电流 14 12 自由电子在运动过程中如果和空穴相遇就会填补空穴 使两者同时消失 这种现象称为复合 在一定的温度下自由电子和空穴的产生和复合达到动态平衡 半导体中的载流子维持一定的数目 但是由于这时的载流子数量很少 所以导电能力很差 温度越高 热运动加剧 自由电子和空穴增多 载流子的浓度越高 本征半导体的导电能力越强 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素 这是半导体的一大特点 本征半导体载流子的浓度 14 13 14 1 2N型半导体和P型半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加 P型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为 空穴半导体 N型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 14 14 一 N型半导体 多余电子 磷原子 14 15 N型半导体中的载流子是什么 1 由五价元素提供的电子 浓度与五价元素原子相同 2 本征半导体中成对产生的自由电子和空穴 因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 14 16 二 P型半导体 空位 硼原子 P型半导体中空穴是多子 自由电子是少子 空穴 14 17 三 杂质半导体的示意表示法 P型半导体 三价原子接受电子成为带电负离子空穴是多子N型半导体 五价原子给出电子成为带电正离子自由电子是多子 14 18 三 杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体中多子和少子的移动都可形成电流 但由于数量关系 起导电作用的主要是多子 受温度影响较小 一般近似认为多子与杂质浓度相等 14 19 4 在外加电压作用下 P型半导体中电流主要是 N型半导体中电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c b a 课堂练习 14 20 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 2PN结及其单向导电性 14 21 P型半导体 N型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 内电场越强 漂移运动就越强 而漂移的结果使空间电荷区变薄 14 22 P型半导体 N型半导体 当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时 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 形成PN结 14 23 空间电荷区 N型区 P型区 电位V V0 14 24 1 空间电荷区中几乎没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴 N区中的自由电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 P区中的自由电子和N区中的空穴 都是少子 数量有限 因此由它们形成的电流很小 注意 14 25 PN结的单向导电性 PN结加上正向电压 正向偏置的意思都是 P区加正电压 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置的意思都是 P区加负电压 N区加正电压 14 26 一 PN结加正向电压 P N 内电场被削弱 多子扩散加强 能够形成较大的正向电流 14 27 二 PN结加反向电压 N P R E 内电场被加强 多子扩散受到抑制 少子漂移加强 但因少子数量有限 只能形成较小的反向电流 14 28 总结 1 加正向电压时 PN结处于导通状态 呈低电阻 正向电流较大 2 加反向电压时 PN结处于截止状态 呈高电阻 反向电流很小 PN结具有单向导电性 14 29 14 3二极管 发光稳压整流 检波开关 14 30 常见二极管外形图 14 31 一 基本结构 PN结加上管壳和引线 结面积小 结电容小 正向电流小 用于检波和变频等高频电路 结面积大 正向电流大 结电容大 用于工频大电流整流电路 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 14 32 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 二极管才能导通 外加电压大于反向击穿电压时 二极管被击穿 失去单向导电性 正向特性 反向特性 硅0 6 0 8V锗0 2 0 3V 死区电压 反向电流在一定电压范围内保持常数 二 伏安特性 非线性 14 33 三 主要参数 1 最大整流电流IOM 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 电流超过允许值时 PN结过热会损坏管子 2 反向工作峰值电压URWM 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压 一般是反向击穿电压U BR 的一半或三分之二 点接触型D管为数十伏 面接触型D管可达数百伏 通常二极管击穿时 其反向电流剧增 单向导电性被破坏 甚至过热而烧坏 14 34 3 反向峰值电流IRM 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 反向电流越大 说明二极管的单向导电性越差 反向电流受温度影响 温度越高反向电流越大 硅管的反向电流较小 几微安 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍 以上均是二极管的直流参数 二极管的应用主要是利用它的单向导电性 它可应用于整流 检波 限幅 保护等等 14 35 导通压降 实际二极管 正向导通 硅0 6 0 8V锗0 2 0 3V死区电压 硅0 5V锗0 1V 定性分析 判二极管的工作状态 导通 截止 二极管电路分析 死区电压 14 36 理想二极管 正向导通 管压降为零反向截止 相当于断开 14 37 二极管电路分析 分析方法 1 断开二极管 2 a 分析其两端电位高低 b 或其两端所加电压UD的正负 3 a V阳 V阴 导通V阳0 导通UD 0 截止 14 38 二极管 死区电压 0 5V 正向压降 0 7V 硅二极管 理想二极管 死区电压 0 正向压降 0 二极管的应用举例例1 二极管半波整流 14 39 例2 二极管的检波应用 uO P11 例14 3 1 uR R和C构成微分电路 作用 除去正尖脉冲 14 40 例3 已知 管子为锗管 VA 3V VB 0V 导通压降为0 3V 试求 VY 方法 先判二极管谁优先导通 导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值 解 P12 例14 3 2 作用 钳位 14 41 ui 8V 二极管导通 可看作短路uo 8Vui 8V 二极管截止 可看作开路uo ui 已知 理想二极管 画出uo波形 8V 例4 二极管的用途 整流 检波 钳位 限幅 开关 元件保护 温度补偿等 参考点 二极管阴极电位为8V 14 42 例5 已知 管子为锗管 VA 3V VB 0V 导通压降为0 3V 试求 VY 方法 先判二极管谁优先导通 导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值 解 P12 例14 3 2 14 43 例6 0 3V 2 7V 2 7V 2 7V 设二极管的导通压降为0 3伏 14 44 例7 设二极管的导通压降为0 3伏 0 3V 0 3V 0 3V 3 3V 14 45 例5 已知 管子为锗管 VA 3V VB 0V 导通压降为0 3V 试求 VY 方法 先判二极管谁优先导通 导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值 解 P12 例14 3 2 14 46 例6 0 3V 2 7V 2 7V 2 7V 设二极管的导通压降为0 3伏 14 47 符号 UZ IZ IZM UZ IZ 伏安特性 稳压管正常工作时 需加反向电压 工作于反向击穿区 稳压原理 稳压管反向击穿以后 电流变化很大 但其两端电压变化很小 14 4稳压二极管 曲线越陡电压越稳 14 48 UZ IZ IZM UZ IZ 伏安特性 稳压管反向击穿是可逆的 当去掉反向电压后 稳压二极管恢复正常 使用时要加限流电阻 稳压二极管在电路中可以起到稳压作用 反向电流超过允许范围时稳压二极管会发生过热击穿而损坏 曲线越陡电压越稳 注意 14 49 1 稳定电压UZ稳压管正常工作 反向击穿 时管子两端的电压 2 电压温度系数 U稳压值受温度变化影响的系数 环境温度每变化1 C引起稳压值变化的百分数 3 动态电阻 4 稳定电流IZ 最大稳定电流IZM 5 最大允许耗散功率PZM UZIZM rZ愈小 曲线愈陡 稳压性能愈好 稳压二极管的主要参数 14 50 例1 已知 Uz 12V IZM 18mA R 1 6K 试求 Iz 限流电阻R的阻值是否合适 解 Iz 20 Uz R 20 12 1 6x103 5mA因 IZ IZM故 限流电阻R的阻值合适 P14 例14 4 1 14 51 负载电阻 例2 稳压管的技术参数 解 uimax 1 2ui 流过稳压管的电流为IZmax 试求 限流电阻R和输入电压ui的正常值 要求 ui发生 20 波动时 负载电压基本不变 14 52 联立方程 可解得 uimin 0 8ui 流过稳压管的电流为IZmin 14 53 14 5晶体管 常见晶体管外形图 14 54 14 5 1基本结构 常见 硅管主要是平面型 锗管都是合金型 晶体管结构图 14 55 NPN型晶体管 PNP型晶体管 发射区 集电区 基区 集电结 发射结 基极 发射极 集电极 发射区 集电区 基区 发射结 集电结 集电极 发射极 基极 晶体管结构示意图 14 56 基区 最薄 掺杂浓度最低 发射区 掺杂浓度最高 结构特点 集电区 面积最大 14 57 三极管放大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 PNP发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB NPN发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 14 5 2电流分配和放大原理 从电位的角度看 集电结 发射结 14 58 晶体管电流放大的实验电路 设EC 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 公共端 基极电路 集电极电路 14 59 1 IE IB IC符合基尔霍夫定律 2 IC IB IC IE 3 IC IB 4 IB 0时 IC ICEO 0 晶体管的电流放大作用 基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大的变化 放大实质 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化 晶体管是电流控制器件 晶体管电流测量数据 结论 14 60 晶体管内部载流子运动发射区向基区扩散电子电子在基区扩散和复合集电区收集从发射区扩散过来的电子 发射区 集电区 基区 集电结 发射结 14 61 电流分配和放大原理 基区空穴向发射区的扩散可忽略 进入P区的电子除极少数与基区空穴复合 形成电流IBE 基区要薄 浓度小 使绝大多数电子扩散到集电结 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 14 62 EB RB EC IC ICE ICBO ICE 集电结反偏 由少子形成的反向电流ICBO 受温度影响比较大 从发射区扩散到基区到达集电区边缘的电子被拉入集电区形成ICE IB IBE ICBO IBE N N P IC 14 63 直流电流放大倍数 ICE与IBE之比 要使晶体管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 14 64 NPN型晶体管 PNP型晶体管 晶体管起放大作用的条件 发射结必须正向偏置 集电结必须反向偏置 电流方向和发射结与集电结的极性 14 65 14 5 3特性曲线 管子各电极电压与电流的关系曲线 是管子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 为什么要研究特性曲线 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 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线 14 66 输入回路 输出回路 B E C 14 67 一 输入特性曲线 0 14 68 特点 非线性 工作压降硅管UBE 0 6 0 7V锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压硅管0 5V锗管0 1V 14 69 二 输出特性曲线 IC mA IB 0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 0 14 70 线性放大区 IC mA 0 UCE大于一定数值时 IC只与IB有关 IC IB 发射结正偏 集电结反偏 14 71 0 深度饱和时硅管UCES 0 3V锗管UCES 0 1V IB的变化对IC的影响小 IB IC UCE UBE 发射结正偏 集电结正偏 饱和区 14 72 0 IB 0 IC ICEOUBE 死区电压 截止区 发射结反偏 集电结反偏 14 73 输出特性三个区域的特点 放大区 发射结正偏 集电结反偏 IC IB 且 IC IB UCE UBE 14 74 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 IC IB IC UCC RC UCE 0 UCE 0发射极和集电极之间如同开关接通 电阻很小 UCE UBE 14 75 3 截止区 发射结反偏 集电结反偏 IB 0 IC ICEO 0 UCE UCC IC 0发射极和集电极之间如同开关断开 电阻很大 UBE 死区电压 14 76 输出特性三个区域的特点 放大区 发射结正偏 集电结反偏 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 IC IB IC UCC RC UCE 0 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 UCE UCC 14 77 例1 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管工作于哪个区 解 当USB 2V时 IB 0 IC 0 T管工作于截止区 14 78 T管工作于放大区 解 USB 2V时 IC最大饱和电流 14 79 解 USB 5V时 T管工作于饱和区 因IC和IB已不是 倍的关系 IC最大饱和电流 14 80 三 主要参数 前述电路中 三极管的发射极是输入和输出的公共点 称为共射接法 相应地还有共基 共集接法 共射直流电流放大倍数 工作于动态的三极管 真正的信号是叠加在直流上的交流信号 基极电流的变化量为 IB 相应的集电极电流变化为 IC 则交流电流放大倍数为 1 电流放大倍数 和 14 81 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受温度的影响大 温度 ICEO 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 14 82 4 集电极最大允许电流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 5 集 射极反向击穿