电子技术半导体器件.ppt

第8章半导体器件 8 2半导体二极管 8 3特殊二极管 8 4双极型晶体 三极 管 8 1半导体的基础知识 电子技术 8 5其它器件介绍 学会用工程观点分析问题 就是根据实际情况 对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似 以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果 对电路进行分析计算时 只要能满足技术指标 就不要过分追究精确的数值 器件是非线性的 特性有分散性 rc的值有误差 工程上允许一定的误差 采用合理估算的方法 对于元器件 重点放在特性 参数 技术指标和正确使用方法 不要过分追究其内部机理 讨论器件的目的在于应用 8 1半导体的基础知识 半导体的导电特性 可做成温度敏感元件 如热敏电阻 掺杂性 往纯净的半导体中掺入某些杂质 导电能力明显改变 可做成各种不同用途的半导体器件 如二极管 三极管和晶闸管等 光敏性 当受到光照时 导电能力明显变化 可做成各种光敏元件 如光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管等 热敏性 当环境温度升高时 导电能力显著增强 一 本征半导体 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本征半导体 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子 称为价电子 价电子 价电子在获得一定能量 温度升高或受光照 后 即可挣脱原子核的束缚 成为自由电子 带负电 同时共价键中留下一个空位 称为空穴 带正电 本征半导体的导电机理 这一现象称为本征激发 空穴 温度愈高 晶体中产生的自由电子便愈多 自由电子 在外电场的作用下 空穴吸引相邻原子的价电子来填补 而在该原子中出现一个空穴 其结果相当于空穴的运动 相当于正电荷的移动 当半导体两端加上外电压时 在半导体中将出现两部分电流 1 自由电子作定向运动 电子电流 2 价电子递补空穴 空穴电流 注意 1 本征半导体中载流子数目极少 其导电性能很差 如果掺入微量的其他合适的元素 可增加导电能力 2 温度愈高 载流子的数目愈多 半导体的导电性能也就愈好 所以 温度对半导体器件性能影响很大 自由电子和空穴都称为载流子 自由电子和空穴成对地产生的同时 又不断复合 在一定温度下 载流子的产生和复合达到动态平衡 半导体中载流子便维持一定的数目 二 杂质半导体 掺杂后自由电子数目大量增加 自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式 称为电子半导体或n型半导体 掺入五价元素 多余电子 磷原子 在常温下即可变为自由电子 失去一个电子变为正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质 某种元素 形成杂质半导体 在n型半导体中自由电子是多数载流子 空穴是少数载流子 掺杂后空穴数目大量增加 空穴导电成为这种半导体的主要导电方式 称为空穴半导体或p型半导体 掺入三价元素 在p型半导体中空穴是多数载流子 自由电子是少数载流子 硼原子 接受一个电子变为负离子 空穴 无论n型或p型半导体都是中性的 对外不显电性 多子数目由掺杂浓度定 少子数目由温度 光照定 三 pn结 1 pn结的形成 多子的扩散运动 少子的漂移运动 浓度差 p型半导体 n型半导体 内电场越强 漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 扩散的结果使空间电荷区变宽 空间电荷区也称pn结 耗尽层 电阻大 相当于电容 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡 空间电荷区的厚度固定不变 形成空间电荷区 2 pn结的单向导电性 1 pn结加正向电压 正向偏置 pn结变窄 p接正 n接负 if 内电场被削弱 多子的扩散加强 形成较大的扩散电流 pn结加正向电压时 pn结变窄 正向电流较大 正向电阻较小 pn结处于导通状态 2 pn结加反向电压 反向偏置 p接负 n接正 pn结变宽 内电场被加强 少子的漂移加强 由于少子数量很少 形成很小的反向电流 ir p接负 n接正 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 pn结加反向电压时 pn结变宽 反向电流较小 反向电阻较大 pn结处于截止状态 2 pn结加反向电压 反向偏置 8 2半导体二极管 二极管的结构示意图 半导体二极管图片 半导体二极管图片 半导体二极管图片 半导体二极管图片 二 伏安特性 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二极管被击穿 失去单向导电性 正向特性 反向特性 特点 非线性 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 0 u i 由于正反向特性曲线在导通或击穿后都很陡 可认为是竖直的 正向导通后电压若si管为0 6 0 7v ge管为0 2 0 3v 反向击穿后由管子的参数决定 于是可近似和理想化 有相应的曲线 u i 0 2 0 3v或0 6 0 7v 近似特性 理想特性 0 0 三 主要参数 1 额定正向平均电流if 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 超过时使pn结过热而损坏 2 正向电压降uf 指通过二极管的电流为if时 二极管两端的电压 3 最高反向工作电压ur 指保证二极管不被击穿所允许施加的最高反向电压 一般规定为反向击穿电压的1 2或1 3 4 最大反向电流irm 指二极管加上ur时的反向电流 该电流大说明管子的单向导电性差 irm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 锗管的反向电流较大 为硅管的几十到几百倍 二极管的单向导电性 1 二极管加正向电压 正向偏置 阳极接正 阴极接负 时 二极管处于正向导通状态 二极管正向电阻较小 正向电流较大 导通电压0 7或0 3v 2 二极管加反向电压 反向偏置 阳极接负 阴极接正 时 二极管处于反向截止状态 二极管反向电阻较大 反向电流很小 3 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿 失去单向导电性 4 二极管的反向电流受温度的影响 温度愈高反向电流愈大 定性分析 判断二极管的工作状态 导通截止 分析方法 将二极管假想断开 分析二极管两端电位的高低或所加电压ud的正负 若v阳 v阴或ud为正 正向偏置 二极管导通若v阳 v阴或ud为负 反向偏置 二极管截止 若二极管是理想的 正向导通时正向管压降为零 反向截止时二极管相当于断开 电路如图 da db为硅管 1 ua ub 3v 2 ua 3v ub 0v求 uf 2 由于ub ua 则加在db上的正向电压高于da上的正向电压 所以db抢先导通 因此uf ub 0 6 0 0 6v 且db导通后使da承受反压而截止 隔断了ua对uf的影响 使uf被钳制在0 6v 这时db起钳位作用 da起隔离作用 例1 解 先断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 1 da db都承受同样的正电压 同时导通 硅管正向电压降为0 6v 则uf ua 0 6 3 0 6 3 6v 在这里 6v电源对uf无影响 其余电压消耗在电阻r上 6v uf r ua ub da db 6v 3 6v 6v 0 6v 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 二极管是理想的 试画出uo波形 8v 例2 二极管的用途 整流 检波 限幅 钳位 开关 元件保护 温度补偿等 参考点 二极管阴极电位为8v 四 整流电路 整流电路的作用 将交流电转变为脉动的直流电 常见的整流电路 半波 全波桥式和倍压整流 单相和三相整流等 分析时可把二极管当作理想元件处理 二极管的正向导通电阻为零 反向电阻为无穷大 整流原理 利用二极管的单向导电性 补充 半波整流 1 单相桥式整流电路 工作原理 工作波形 ud2ud4 电路结构 u正半周 va vb 二极管1 3导通 2 4截止 u负半周 va vb 二极管2 4导通 1 3截止 ud1ud3 参数计算 1 整流电压平均值uo 2 整流电流平均值io 3 流过每管电流平均值id 4 每管承受的最高反向电压udrm 5 变压器副边电流有效值i 1 输出直流电压高 2 脉动较小 3 二极管承受的最大反向电压较低 4 电源变压器得到充分利用 目前 半导体器件厂已将整流二极管封装在一起 制成单相及三相整流桥模块 这些模块只有输入交流和输出直流引线 减少接线 提高了可靠性 使用起来非常方便 桥式整流电路的优点 2 有电容滤波的整流电路电路结构 工作原理 u0 uc时 二极管导通 电源在给负载rl供电的同时也给电容充电 uc增加 ur uc u0 uc时 二极管截止 电容通过负载rl放电 uc按指数规律下降 ur uc c uc 工作波形 二极管承受的最高反向电压为 uo t o u rl uo ur 电容滤波电路的特点 t 电源电压的周期 输出电压的脉动程度和平均值uo都与放电时间常数rlc有关 rlc越大 电容器放电越慢 输出电压的平均值uo越大 波形越平滑 近似估算 有载时 取 uo 1 2u 当负载rl开路时 uo 为了得到比较平直的输出电压 3 有电感滤波的整流电路电路结构 工作原理 整流后电流分为直流和交流两种分量 由于l的通直阻交作用 交流分量被阻挡 只有直流分量通过负载rl 实现了滤波 工作波形 u rl ur l uo t o ur 4 电感电容滤波器 对直流分量 xl 0 l相当于短路 电压大部分降在rl上 对谐波分量 f越高 xl越大 电压大部分降在l上 因此 在负载上得到比较平滑的直流电压 当流过电感的电流发生变化时 线圈中产生自感电势阻碍电流的变化 使负载电流和电压的脉动减小 lc滤波适合于电流较大 要求输出电压脉动较小的场合 用于高频时更为合适 5 形滤波器 形lc滤波器 滤波效果比lc滤波器更好 但二极管的冲击电流较大 比 形lc滤波器的体积小 成本低 形rc滤波器 r愈大 c2愈大 容抗小 交流成分越多降落在r上 滤波效果愈好 但r大将使直流压降增加 主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合 8 3特殊二极管 1 符号 uz iz izm uz iz 2 伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压 使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后 电流变化很大 但其两端电压变化很小 利用此特性 稳压管在电路中可起稳压作用 一 稳压二极管 3 主要参数 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 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 4 稳压电路 工作原理 uo ui irr ui r iz io uo略增使iz激增 当电源电压或负载电流变化使uo变化时 ir增加 irr增加 限流调压 稳压电路 当uo降低时 稳压过程与此相反 工作区 二 光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升 符号 光电二极管 三 发光二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 正向电压较一般二极管高 电流为几 几十ma 符号 单片集成稳压器 具有体积小 可靠性高 使用灵活 价格低廉等优点 最简单的集成稳压器只有输入 输出和公共引出端 故称之为三端集成稳压器 1 分类 xx两位数字为输出电压值 1 25 37v连续可调 8 4集成稳压器 2 外形及引脚功能 cw7800系列稳压器外形 cw7900系列稳压器外形 塑料封装 3 性能特点 7800 7900系列 输出电流超过1 5a 加散热器 不需要外接元件内部有过热保护内部有过流保护调整管设有安全工作区保护输出电压容差为4 输出电压额定值有 5v 6v 9v 12v 15v 18v 24v等 1 输出为固定电压的电路 4 集成稳压器的应用 0 1 1 f 1 f 为了瞬时增减负载电流时 不致引起输出电压有较大的波动 即用来改善负载的瞬态响应 用来抵消输入端接线较长时的电感效应 防止产生自激振荡 即用以改善波形 2 同时输出正 负电压的电路 集成电路 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上 集成电路的优点 工作稳定 使用方便 体积小 重量轻 功耗小 集成电路的分类 模拟集成电路 数字集成电路 小 中 大 超大规模集成电路 4 集成电路 集成电路内部结构的特点 1 电路元件制作在一个芯片上 元件参数偏差方向一致 温度均一性好 2 电阻元件由硅半导体构成 范围在几十到20千欧 精度低 高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接 3 几十pf以下的小电容用pn结的结电容构成 大电容要外接 4 二极管一般用三极管的发射结构成 8 5双极型晶体管 半导体三极管 一 基本结构 基极 发射极 集电极 npn型 符号 npn型三极管 pnp型三极管 t t 三极管图 基区 最薄 掺杂浓度最低 发射区 掺杂浓度最高 发射结 集电结 结构特点 集电区 面积最大 二 工作状态 工作状态取决于两个pn结的偏置状态 三极管工作状态有放大 饱和及截止三种状态 由于三极管有两个结 三个极 必然有一个极共用 可分共发射极 共集电极和共基极三种接法 无论何接法 无论何类型管子 工作原理相同 现以npn管 共射极接法为例说明 1 放大状态 1 三极管放大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 pnp管发射结正偏vb ve集电结反偏vc vb 从电位的角度看 npn管发射结正偏vb ve集电结反偏vc vb 2 各电极电流关系及电流放大作用 结论 1 三电极电流关系ie ib ic2 ic ib 成比例 且ic ie3 ic ib 成比例 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用 实质 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化 是cccs器件 3 三极管内部载流子的运动规律 ib ic 基区空穴向发射区的扩散可忽略 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 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 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 3 三极管内部载流子的运动规律 ie ic ib ube增 e区载流子增 三者都增加 ib 0时ic叫iceo穿透电流 三极管很小 ic与ib的增量之比称为直流 静态 电流放大倍数 当改变rb使ube变化为 ube时 若保持uce不变 有 叫三极管的交流 动态 电流放大倍数 温度增加时 e区扩散到b区的载流子速度加快 复合少 到c区的多 增大 可见ib的微小变化可使ic较大变化 ic与 ib的比值基本为定值 此现象叫三极管的电流放大作用 三极管是一种电流放大器件 放大状态的特征是 b 0 uce ucc uce ucc rcic ic ucc uce rc c 如果ib变化使ic ie变化 uce随之变化 三极管的c e极间相当于一个可变电阻 2 饱和状态 三极管饱和的外部条件发射结 集电结都正偏 刚开始处于放大状态 当减少rb使ube增加 ib增加 ic也随之增加 uce减小 接近0时 ic ucc rc已达最大值 再增ib ic也不增加为饱和状态 此时ic ucc rc uce 0 相当于开关的闭合 饱和状态的特征是 a ic ucc rc b uce 0 c 三极管的c e极间相当于短路 此时vc ve所以集电结正偏 实际只要uce ube就已经饱和 即vc ve 3 截止状态 三极管放大的外部条件发射结 集电结都反偏 a ib 0 ic 0 电子电路基本分模拟和数字两类电路 模拟电路中三极管工作在放大状态 起放大作用 数字电路中 三极管交替工作在饱和及截止两种状态 起开关作用 例题见书p223 用反证法 uce不可能为负 改错 b uce ucc c 三极管的c e极间相当于开路 实际ib为零就已截止 为保险起见 发射结反向偏置 三 特性曲线 即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 发射极是输入回路 输出回路的公共端 共发射极电路 输入回路 输出回路 测量晶体管特性的实验线路 1 输入特性 特点 非线性 死区电压 硅管0 5v 锗管0 1v 正常工作时发射结电压 npn型硅管ube 0 6 0 7vpnp型锗管ube 0 2 0 3v 2 输出特性 ib 0 20 a 放大区 输出特性曲线通常分三个工作区 1 放大区 在放大区有ic ib 也称为线性区 具有恒流特性 在放大区 发射结处于正向偏置 集电结处于反向偏置 晶体管工作于放大状态 2 截止区 ib 0以下区域为截止区 有ic 0 在截止区发射结处于反向偏置 集电结处于反向偏置 晶体管工作于截止状态 饱和区 截止区 3 饱和区 当uce ube时 晶体管工作于饱和状态 在饱和区 ib ic 发射结处于正向偏置 集电结也