第五章半导体器件.ppt

第5章半导体器件 5 3特殊二极管 5 4双极型晶体管 5 2半导体二极管 5 1半导体的基础知识 第5章半导体二极管和三极管 本章要求 一 理解PN结的单向导电性 三极管的电流分配和电流放大作用 二 了解二极管 稳压管和三极管的工作原理和特性曲线 三 会分析含有二极管的电路 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 5 1 1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 硅单晶中的共价健结构 共价健 5 1半导体的基础知识 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 空穴 自由电子 1 半导体中存在两种载流子 带负电的自由电子和带正电的空穴 2 在本征半导体中两种载流子是成对出现的 两者数量相等 3 本征半导体中载流子数目极少 其导电性能很差 4 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 注意 5 1 2N型半导体 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 N型半导体结构示意图 在N型半导中 电子是多数载流子 空穴是少数载流子 5 1 2P型半导体 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 P型半导体结构示意图 无论N型或P型半导体都是中性的 对外不显电性 1 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a 一 PN结 1PN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 扩散的结果使空间电荷区变宽 空间电荷区也称PN结 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 二 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 2 PN结加反向电压 反向偏置 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 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 图1 12半导体二极管的结构和符号 5 2半导体二极管 5 2 1二极管的结构示意图 5 2 2伏安特性 硅管0 5V 锗管0 2V 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 7V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 5 2 3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 2 最高反向工作电压UR 是保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压 3 最大反向电流IRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流 反向电流大 说明管子的单向导电性差 4 正向压降UF 是通过二极管的电流为额定正向平均电流时 二极管两端的电压 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 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 结论 二极管电路分析举例 定性分析 判断二极管的工作状态 导通截止 分析方法 将二极管断开 分析二极管两端电位的高低正负 若V阳 V阴为正 正向偏置 二极管导通若V阳 V阴为负 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 例1 下图中 已知UA 3V UB 0V DA DB为锗管 求输出端Y的电位并说明二极管的作用 解 DA优先导通 则 UY 3 0 3 2 7V DA导通后 DB因反偏而截止 起隔离作用 DA起钳位作用 将Y端的电位钳制在 2 7V 电路如图 求 UAB V阳 6VV阴 12VV阳 V阴二极管导通若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 6V否则 UAB低于 6V一个管压降 为 6 3 或 6 7V 例2 取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 在这里 二极管起钳位作用 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3 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 动画 5 3稳压二极管 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 5 4半导体三极管 5 4 1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 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 5 4 2电流分配和放大原理 1 三极管处于放大状态的外部条件 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 从电位的角度看 NPN发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB IC N P N 三极管的电流控制原理 UCC RC UBB RB 结论 1 三极管放大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 2 三极管处于放大状态的特征 1 的微小变化会引起的较大变化 2 是由和决定的 3 4 晶体管相当于通路 5 4 2电流分配和放大原理 2 三极管处于饱和状态的外部条件 发射结正偏 集电结正偏 若减小 使增加 则开始时 因工作在放大状态 增加 也增加 减小 当减小到接近为零时 已达到了所示电路可能的最大数值 再增加 已不可能在增加 即已经饱和 故晶体管这时的状态称为饱和状态 这时集电结已正向偏置 结论 1 三极管处于饱和状态的外部条件 发射结正偏 集电结正偏 2 三极管处于放大状态的特征 1 增加时 基本不变 2 是由和决定的 3 4 晶体管相当于短路 5 4 2电流分配和放大原理 3 三极管处于截止状态的外部条件 发射结反偏 集电结反偏 三极管处于放大状态的特征 1 2 3 4 晶体管相当于开路 1 输入特性 特点 非线性 正常工作时发射结电压 NPN型硅管UBE 0 6 0 7V 5 4 3三极管的特性曲线 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 发射结处于正向偏置 集电结也处于正偏 5 4 4三极管的主要参数 1 电流放大系数 1 直流电流放