广工模电PPT第1章常用半导体器件.ppt

第1章常用半导体器件 电子电路就是将电子器件与通常的电阻 电容 电感 开关等元件适当地连接起来 电子电路与普通电路的的区别也就在于它们含有电子器件 而这些器件的特性往往是非线性的 1 1半导体基础知识 一 本征半导体 二 杂质半导体 三 PN结的形成及其单向导电性 一 本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 无杂质 稳定的结构 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 1 什么是半导体 什么是本征半导体 导体 铁 铝 铜等金属元素等低价元素 其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动 形成电流 绝缘体 惰性气体 橡胶等 其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强 只有在外电场强到一定程度时才可能导电 半导体 硅 Si 锗 Ge 均为四价元素 它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间 1 1半导体基础知识 2 本征半导体的晶体结构 1 1半导体基础知识 硅和锗都是四价元素 在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子 它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键 共价键中的价电子为这些原子所共有 a 硅和锗的晶体结构 b 共价键结构平面示意图 c 2 本征半导体的晶体结构 1 1半导体基础知识 价电子 共价键 单晶体中的共价键结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 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 3 本征半导体中的两种载流子 1 1半导体基础知识 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着 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 T 0 不导电 1 1半导体基础知识 4 自由电子 空穴 当T 有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子 在原来的共价键中留下一个空位 空穴 3 本征半导体中的两种载流子 这一现象称为热激发 也叫本征激发 空穴可看成带正电的载流子 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力 但很微弱 室温下 产生自由电子 空穴对 3 本征半导体中的两种载流子 温度升高 热运动加剧 挣脱共价键的电子增多 自由电子与空穴对的数目就加大 即载流子的浓度与温度密切相关 它随着温度的升高而增加 自由电子也可能回到空穴中去 称为复合 这时自由电子和空穴同时消失 1 1半导体基础知识 在一定温度下 热激发和复合会达到动态平衡 自由电子与空穴的数目 浓度 就一定了 总结 1 1半导体基础知识 本征半导体中两种载流子同时参与导电 本征半导体中 自由电子和空穴总是成对出现 称为电子 空穴对 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示 显然ni pi 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 温度越高 载流子的浓度越高 因此其导电能力也越强 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 二 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 可使半导体的导电性发生显著变化 掺入的杂质主要是三价或五价元素 掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体 1 1半导体基础知识 杂质半导体 N型半导体 P型半导体 1 1半导体基础知识 1 N型半导体 掺入五价元素 N型半导体的晶体结构 在N型半导体中 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子的浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴的浓度 即n p 电子称为多数载流子 简称多子 空穴称为少数载流子 简称少子 N型半导体主要靠电子 多数载流子 导电 1 1半导体基础知识 2 P型半导体 掺入三价元素 P型半导体的晶体结构 在P型半导体中 空穴浓度大于电子浓度 即p n 空穴为多数载流子 电子为少数载流子 P型半导体主要靠空穴导电 1 1半导体基础知识 载流子数 空穴数 载流子数 电子数 特点 载流子浓度 电阻率 由掺杂决定 但对温度仍然敏感 1 1半导体基础知识 半导体中的电流 I IP IN I IP IN N型半导体I IN P型半导体I IP 杂质半导体中多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子与杂质浓度相等 1 1半导体基础知识 说明 1 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度 温度决定少数载流子的浓度 3 杂质半导体总体上保持电中性 4 杂质半导体的表示方法如下图所示 2 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体 因而其导电能力大大改善 P型半导体的简化表示法 1 1半导体基础知识 N型半导体的简化表示法 三 PN结及其单向导电性 载流子的两种运动 1 1半导体基础知识 漂移运动 载流子在电场作用下的定向运动 空穴顺着电场方向运动 电子则反之 扩散运动 载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体 另一侧掺杂成为N型半导体 两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层 不能移动的正 负离子 称为PN结 PN结 P区空穴浓度远高于N区 N区自由电子浓度远高于P区 1 PN结的形成 1 1半导体基础知识 1 载流子的浓度差引起多子的扩散 2 复合使交界面形成空间电荷区 空间电荷区特点 无载流子 只有不能移动的离子 故又称为耗尽层 1 1半导体基础知识 空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 形成内电场 阻止多子的扩散 促使少子的漂移 内电场的作用 1 1半导体基础知识 少子的运动与多子运动方向相反 多子扩散 少子漂移 离子不动 3 扩散和漂移达到动态平衡 就形成了稳定的PN结 1 1半导体基础知识 扩散运动使空间电荷区增大 内电场增强 扩散电流逐渐减小 随着内电场的增强 漂移运动 电流 逐渐增加 当扩散电流与漂移电流相等时 PN结总的电流等于零 空间电荷区的宽度达到稳定 即扩散运动与漂移运动达到动态平衡 空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米 势垒电压Uho 硅材料约为 0 6 0 8 V 锗材料约为 0 2 0 3 V 2 PN结的单向导电性 1 外加正向电压 又称正向偏置 简称正偏 P N 1 1半导体基础知识 外电场使多子向PN结移动 中和部分离子使空间电荷区变窄 有利于扩散运动 而漂移运动减弱 形成正向电流 IF I扩 多子 I漂 少子 I扩 多子 0 PN结呈现低阻性 2 外加反向电压 又称反向偏置 简称反偏 P N 1 1半导体基础知识 外电场使多子背离PN结移动 使空间电荷区变宽 阻止扩散运动 而有利于漂移运动 形成反向电流 IR I扩 多子 I漂 少子 I漂 少子 0 PN结呈现高阻性 反向电流又称反向饱和电流 对温度十分敏感 由少子形成 随着温度升高 IR将急剧增大 1 1半导体基础知识 PN结具有单向导电性 结论 PN结的单向导电性 正偏导通 呈小电阻 电流较大 反偏截止 电阻很大 电流近似为零 3 PN结的电流方程 P15 1 1半导体基础知识 反向饱和电流 温度的电压当量 电子电量 玻尔兹曼常数 当T 300K 27 C UT 26mV 4 PN结的伏安特性 P16 1 1半导体基础知识 正向特性 反向特性 加正向电压时 加反向电压时 i IS 1 2半导体二极管 一 二极管的组成 二 二极管的伏安特性及电流方程 三 二极管的等效电路 四 二极管的主要参数 五 稳压二极管 一 二极管的组成 将PN结封装 引出两个电极 就构成了二极管 点接触型 结面积小 结电容小故结允许的电流小最高工作频率高 面接触型 结面积大 结电容大故结允许的电流大最高工作频率低 平面型 结面积可小 可大小的工作频率高大的结允许的电流大 1 2半导体二极管 二极管的符号 1 2半导体二极管 1 2半导体二极管 二 二极管的伏安特性 在二极管的两端加上电压 测量流过管子的电流 I f U 之间的关系曲线 1 2半导体二极管 1 正向特性 当正向电压比较小时 正向电流很小 几乎为零 相应的电压叫死区电压 或开启电压 Uon Uon与材料和温度有关 正向特性 死区电压 当正向电压超过死区电压后 随着电压的升高 正向电流迅速增大 二极管导通 Uon 0 5V 0 1V 硅管 锗管 UD 0 6 0 8 V 硅管 一般取0 7V 0 1 0 3 V 锗管 一般取0 2V 导通电压 1 2半导体二极管 2 反向特性 当电压超过零点几伏后 反向电流不随电压增加而增大 即饱和 二极管加反向电压 反向电流很小 如果反向电压继续升高 大到一定数值时 反向电流会突然增大 这种现象称击穿 对应电压叫反向击穿电压 击穿并不意味管子损坏 若控制击穿电流 电压降低后 还可恢复正常 Is 0 1 A 硅管 几十 A 锗管 1 2半导体二极管 结论 二极管具有单向导电性 加正向电压时导通 呈现很小的正向电阻 如同开关闭合 加反向电压时截止 呈现很大的反向电阻 如同开关断开 从二极管伏安特性曲线可以看出 二极管的电压与电流变化不呈线性关系 其内阻不是常数 所以二极管属于非线性器件 温度对二极管特性的影响 1 2半导体二极管 二极管的特性对温度很敏感 在环境温度升高时 二极管的正向特性将左移 反向特性将下移 1 IF 最大整流电流 最大正向平均电流 2 URM 最高反向工作电压 一般为U BR 2 3 IR 反向电流 越小单向导电性越好 4 fM 最高工作频率 超过时单向导电性变差 1 2半导体二极管 三 二极管的主要参数 四 二极管的等效电路1 将伏安特性折线化 理想二极管 近似分析中最常用 理想开关导通时UD 0截止时IS 0 导通时UD Uon截止时IS 0 导通时i与u成线性关系 应根据不同情况选择不同的等效电路 1 2半导体二极管 Q越高 rd越小 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时 则可将二极管等效为一个电阻 称为动态电阻 也就是微变等效电路 ui 0时直流电源作用 小信号作用 静态电流 2 微变等效电路 1 2半导体二极管 讨论 判断电路中二极管的工作状态 求解输出电压 设二极管导通电压UD 0 7V 判断二极管工作状态的方法 如何判断二极管在电路中的状态 先假设二极管两端断开 确定二极管两端的电位差 若电路有两个或两个以上二极管 应先判断承受正向电压较大的管子优先导通 再按照上述方法判断其余的管子是否导通 根据二极管两端加的是正电压还是反电压判定二极管是否导通 若为正电压且大于开启电压 则管子导通 否则截止 例1试求电路中电流I1 I2 IO和输出电压UO 解 假设二极管断开 UP 15V UP UN 二极管导通 等效为0 7V的恒压源 P N UO VDD1 UD on 15 0 7 14 3 V IO UO RL 14 3 3 4 8 mA I2 UO VDD2 R 14 3 12 1 2 3 mA I1 IO I2 4 8 2 3 7 1 mA UO IO I2 I1 三 写出图T1 3所示各电路的输出电压值 设二极管导通电压UD 0 7V 解 UO1 1 3V UO2 0 UO3 1 3V UO4 2V UO5 1 3V UO6 2V 1 3电路如图P1 4所示 已知ui 5sin t V 二极管导通电压UD 0 7V 试画出ui与uO的波形 并标出幅值 半导体二极管的应用 二极管是电子电路中最常用的半导体器件 利用其单向导电性及导通时正向压降很小的特点 可用来进行整流 检波 钳位 限幅 开关以及元件保护等各项工作 整流 就是将交流电变为单方向脉动的直流电 利用二极管的单向导电性可组成单相 三相等各种形式的整流电路 整流 半导体二极管的应用 利用二极管正向导通时压降很小的特性 可组成钳位电路 钳位 半导体二极管的应用 利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性 可以构成各种限幅电路 使输出电压幅度限制在某一电压值以内 又称为削波电路 限幅 半导体二极管的应用 在电子线路中 常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害 元件保护 五 稳压二极管 1 2半导体二极管 1 伏安特性 一种特殊的面接触型半导体硅二极管 外型 符号 稳压管工作于反向击穿区 2 主要参数 稳定电压UZ 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压 稳定电流IZ 正常工作的参考电流 IIZ 只要不超过额定功耗即可 通常把IZ记作IZmin 最大工作电流IZM最大耗散功率PZM PZM UZIZM 动态电阻rZ rZ UZ IZ 越小稳压效果越好 1 2半导体二极管 3 稳压电路 1 2半导体二极管 正常稳压时VO VZ 稳压条件是什么 不加R可以吗 1 2半导体二极管 使用稳压管需要注意的几个问题 稳压管电路 1 外加电源的正极接管子的N区 电源的负极接P区 保证管子工作在反向击穿区 2 稳压管应与负载电阻RL并联 3 必须限制流过稳压管的电流IZ 不能超过规定值 以免因过热而烧毁管子 1 2半导体二极管 例 已知稳压管的稳压值UZ 6V 稳定电流的最小值IZmin 5mA 求图T1 4所示电路中UO1和UO2各为多少伏 解 UO1 6V UO2 5V 1 2半导体二极管 六 其它类型二极管 略 1 3晶体三极管 一 晶体管的结构和符号 二 晶体管的放大原理 三 晶体管的共射输入特性和输出特性 四 温度对晶体管特性的影响 五 主要参数 一 晶体管的结构 类型和符号 中功率管 大功率管 外型 发射极 基极 集电极 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 emitter base collector NPN型 PNP型 结构和符号 晶体管有三个电极 三个导电区 两个PN结 一 晶体管的结构 类型和符号 多子浓度高 多子浓度很低 且很薄 面积大 三极管的电流方向 NPN PNP二大类型晶体管 它们的工作电压极性相反 导通电流方向相反 一 晶体管的结构 类型和符号 外型及引脚排列 一 晶体管的结构 类型和符号 二 晶体管的电流放大作用 以NPN型晶体管为例来讨论 晶体管若要实现放大 必须从晶体管的内部结构和外部所加电源的极性来保证 不具备放大作用 1 晶体管放大的条件 二 晶体管的电流放大作用 发射结正偏 集电结反偏 晶体管内部结构要求 发射区高掺杂 基区很薄 而且掺杂较少 集电结面积大 晶体管放大的外部条件 外加电源保证 二 晶体管的电流放大作用 2 内部载流子的运动 1 发射区电子向基区扩散 IEN ICN 基区空穴向发射区扩散形成IEP 2 电子到达基区后 大部分继续向集电结方向运动 漂移通过集电结 形成ICN 少数与空穴复合 形成IBN IE IBN 基区电流IB ICBO IB IB IBN IEP ICBO 3 集电区收集漂过集电结的载流子 形成集电极电流IC IC IC ICN ICBO IE ICN IBN IEP 发射极电流 IEN 二 晶体管的电流放大作用 扩散运动形成发射极电流IE 复合运动形成基极电流IB 漂移运动形成集电极电流IC 少数载流子的运动 因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区 因基区薄且多子浓度低 使极少数扩散到基区的电子与空穴复合 因集电区面积大 在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区 基区空穴的扩散 2 内部载流子的运动 3 晶体管的电流分配关系 从外部看 IE IB ICIE 扩散运动形成的电流IB 复合运动形成的电流IC 漂移运动形成的电流 IC ICN ICBO IB IBN IEP ICBO I B ICBO IE IEN IEP 二 晶体管的电流放大作用 二 晶体管的电流放大作用 直流电流放大系数 4 晶体管的共射电流放大系数 集电结反向电流 穿透电流 交流电流放大系数 管子制成后 发射区载流子浓度 基区宽度 集电结面积等确定 故电流的比例关系也确定了 晶体管的电流放大作用 二 晶体管的电流放大作用 一般认为 二 晶体管的电流放大作用 IE IC IB 晶体管的电流关系 晶体管的三种接法 组态 共集电极接法 集电极作为公共电极 用CC表示 共基极接法 基极作为公共电极 用CB表示 共射极接法 发射极作为公共电极 用CE表示 BJT的三种组态 综上所述 晶体管的放大作用 主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输 然后到达集电极而实现的 实现这一传输过程的两个条件是 1 内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度 且基区很薄 2 外部条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 二 晶体管的电流放大作用 三 晶体管的共射输入特性和输出特性 特性曲线描述三极管各电极之间电压 电流的关系 用于对晶体管的性能 参数和晶体管电路的分析估算 UCE 三极管共射特性曲线测试电路 输入特性 输出特性 UBE 三 晶体管的共射输入特性和输出特性 对于小功率晶体管 UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线 1 输入特性 与二极管的正向特性相似 2 输出特性 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线 放大区 三 晶体管的共射输入特性和输出特性 划分三个区 截止区 放大区和饱和区 条件 发射结正偏 集电结反偏 特点 iC平行于uCE轴的区域 曲线基本平行等距 对NPN管UBE 0 UBC 0 即C极电位最高 E极电位最低 集电极电流和基极电流体现放大作用 即 放大区 iC平行于uCE轴的区域 2 输出特性 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线 三 晶体管的共射输入特性和输出特性 条件 发射结和集电结都反偏 特点 IB 0 iC ICEO 截止区 硅管约等于1 A 锗管约为几十 几百微安 可近似认为iC 0 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 2 输出特性 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线 三 晶体管的共射输入特性和输出特性 条件 发射结和集电结都正偏 饱和区 饱和区 iC明显受uCE控制的区域 特点 IC基本上不随IB而变化 在饱和区三极管失去放大作用 IC IB 当UCE UBE 即UCB 0时 称临界饱和 UCE UBE时称为过饱和或深度饱和 三 晶体管的共射输入特性和输出特性 从输出特性曲线求共发射极电流放大系数 直流电流放大系数 交流电流放大系数 Q 一般为几十 几百 讨论 晶体管工作状态的判断 例 测得某硅材料NPN型晶体管各电极对地的电压值如下 试判别管子工作在什么区域 1 VC 6VVB 0 7VVE 0V 2 VC 6VVB 4VVE 3 6V 3 VC 3 6VVB 4VVE 3 4V 解 原则 对NPN管而言 放大时VC VB VE 1 放大区 2 截止区 3 饱和区UCE UBE 讨论 晶体管工作状态的判断 例 测得工作在放大电路中的晶体管三个电极的电位U1 U2 U3分别为 1 U1 3 5V U2 2 8V U3 12V 2 U1 6V U2 11 8V U3 12V判断它们是NPN型还是PNP型 是硅管还是锗管 确定e b c 解 放大的原则 发射结正偏 集电结反偏 对NPN管而言 放大时VC VB VE 对PNP管而言 放大时VC VB VE 硅管UBE 0 6 0 8 V 锗管UBE 0 2 0 3 V 1 U1b U2e U3c NPN硅管 2 U1c U2b U3e PNP锗管 讨论 晶体管工作状态的判断 放大 IC IB 发射结正偏集电结反偏 饱和 IC IB 两个结正偏 ICS IBS集电结零偏 临界 截止 IB 0 IC 0 两个结反偏 1 以偏置电压判断导通 截止 放大三种状态 UBE Uon则导通 以NPN为例 UBE Uon则截止 2 电流判别法 IB IBS则饱和 IB IBS则放大 讨论 1 分别分析uI 0V 5V时T是工作在截止状态还是导通状态 2 已知T导通时的UBE 0 7V 100 当uI 5V时 T处于放大状态还是饱和状态 uO 通过uBE是否大于Uon判断管子是否导通 1 1 uI 0V时 2 uI 5V时 2 当uI 5V时 T截止 T导通 iB IBS 说明T处于饱和状态 四 温度对晶体管特性的影响 温度每升高1 C 0 5 1 温度每升高10 C ICBO约增大1倍 温度每升高1 C UBE 2 2 5 mV 五 主要参数 1 直流参数 ICBO ICEO 2 交流参数 fT 使 1的信号频率 当ICBO和ICEO很小时 可以不加区分 c e间击穿电压 最大集电极电流 最大集电极耗散功率 PCM iCuCE 安全工作区 3 极限参数 ICM PCM U BR CEO 五 主要参数 万用表检测晶体三极管的方法 1 根据外观判断极性 3 用万用表电阻挡测量三极管的好坏PN结正偏时电阻值较小 几千欧以下 反偏时电阻值较大 几百千欧以上 指针式万用表 在R 1k挡进行测量 红表笔是 表内 负极 黑表笔是 表内 正极 注意事项 测量时手不要接触引脚 2 插入三极管挡 hFE 测量 值或判断管型及管脚 三 晶体三极管的选用 1 根据电路工作要求选择高 低频管 2 根据电路工作要求选择PCM ICM U BR CEO应保证 3 一般三极管的 值在40 100之间为好 9013 9014等低噪声 高 的管子不受此限制 4 穿透电流ICEO越小越好 硅管比锗管的小 数字万用表 1 可直接用电阻挡的PN结挡分别测量判断两个结的好坏 注意事项 红表笔是 表内 正极 黑表笔是 表内 负极NPN和PNP管分别按EBC排列插入不同的孔需要准确测量 值时 应先进行校正 2 插入三极管挡 hFE 测量 值或判断管型及管脚 PC PC ICM C U BR CEO C 1 4场效应管 一 结型场效应管 二 绝缘栅型场效应管 三 场效应管的主要参数 四 场效应管与晶体管的比较 结型JFET JunctionFieldEffectTransistor 绝缘栅型IGFET InsulatedGateFET 场效应管FET FieldEffectTransistor 的分类 P沟道 耗尽型 P沟道 P沟道 场效应管有三个极 源极 s 栅极 g 漏极 d 对应于晶体管的e b c 一 结型场效应管 以N沟道为例 导电沟道 源极 栅极 漏极 N沟道管的结构示意图 1 结构与符号 gatesourcedrain 1 栅 源电压对导电沟道宽度的控制作用 沟道最宽 uGS可以控制导电沟道的宽度 场效应管是电压控制器件 UGS off 一 结型场效应管 以N沟道为例 2 工作原理 uGS 0 2 漏 源电压对漏极电流的影响 uGS UGS off 且不变 VDD增大 iD增大 预夹断 uGD UGS off VDD的增大 几乎全部用来克服沟道的电阻 iD几乎不变 进入恒流区 iD几乎仅仅决定于uGS uGD UGS off uGD UGS off 一 结型场效应管 以N沟道为例 沟道楔型 夹断电压 饱和漏极电流 3 结型场效应管的特性 场效应管工作在恒流区 因而uGS UGS off 且uDS UGS