常用的半导体器.ppt

第1章常用半导体器件 1 1PN结 光敏性 当收到光照时 导电能力明显变化 参杂性 往纯净的半导体中参入某种杂质 导电能力明显改变 1 1 1半导体的导电特性1 半导体的特点 热敏性 当环境温度升高时 导电能力显著增强 2 本征半导体 本征半导体 纯净的 不含其他杂质的半导体 本征半导体的导电能力很弱 接近绝缘体 导电性取决于外加能量 温度变化 导电性变化 光照变化 导电性变化 1 1 1半导体的导电特性 形成 在本征半导体中掺入微量三价元素 1 P型半导体 3 杂质半导体 1 1 1半导体的导电特性 多数载流子 空穴 少数载流子 电子 3 杂质半导体 形成 在本征半导体中掺入微量五价元素 2 N型半导体 1 1 1半导体的导电特性 多数载流子 电子 少数载流子 空穴 1 PN结的形成 1 1 2PN结 动态平衡 形成空间电荷区 PN结形成 P型和N型半导体结合 扩散运动 内电场建立 阻碍扩散运动促使漂移运动 多子浓度差 2 PN结的单向导电特性 1 PN结正向偏置 正偏 P区接电源正极 N区接电源负极 PN结正偏时呈导通状态 正向电阻很小 正向电流很大 1 1 2PN结 2 PN结反向偏置 反偏 N区接电源正极 P区接电源负极 PN结反偏时呈截止状态 反向电阻很大 反向电流很小 2 PN结的单向导电特性 1 1 2PN结 1 热击穿 不可逆 应避免 2 电击穿 可逆 又分为雪崩击穿和齐纳击穿 无论发生哪种击穿 若对其电流不加以限制 都可能造成PN结的永久性损坏 3 PN结的反向击穿特性 1 1 2PN结 1 2半导体二极管 1 2 1二极管的结构 1 结构与符号 a 点接触型 b 面接触型 1 2半导体二极管 1 2 1二极管的结构 1 结构与符号 在PN结的两端各引出一根电极引线 然后用外壳封装起来就构成了半导体二极管 或称晶体二极管 简称二极管 1 2 1二极管的结构 2 分类 a 点接触型 b 面接触型 c 平面型 材料 硅二极管和锗二极管用途 整流 稳压 开关 普通二极管结构 工艺 点接触型 面接触型 平面型 1 2 2二极管的伏安特性及电路模型 1 二极管的伏安特性 伏安特性是指二极管两端的电压u与流过二极管电流i的关系 反向饱和电流 1 2 2二极管的伏安特性及电路模型 1 正向特性当外加正向电压小于死区电压Uth时 正向电流i 0 Uth又称开启电压或门坎电压 硅管约为0 5V 锗管约为0 1V 当正向电压继续增大至二极管完全导通后 两端电压基本为定值 称为二极管的正向导通压降 硅管约为0 6 0 8V 通常取0 7V 锗管约为0 2 0 3V 通常取0 2V 1 2 2二极管的伏安特性及电路模型 2 反向特性外加反向电压时 反向电流很小 I IS 而且在相当宽的反向电压范围内 反向电流几乎不变 因此 称此电流值为二极管的反向饱和电流 在室温下 硅管的反向饱和电流比锗管的小得多 小功率硅管的IS小于0 1 A 锗管为几十微安 当反向电压达到U BR 时 反向电流急剧增大 二极管击穿 U BR 称为反向击穿电压 二极管一旦击穿 便失去单向导电性 使用时要注意 1 2 2二极管的伏安特性及电路模型 2 温度特性温度对二极管伏安特性的影响很大 如图1 2 3中虚线部分为温度升高时的特性 特点概括如下 1 当温度升高时 二极管的正向特性曲线向左移动 二极管的导通压降降低 2 当温度升高时 二极管的反向特性曲线向下移动 反向饱和电流IS增大 3 当温度升高时 反向击穿电压U BR 减小 结论 二极管是非线性元件 二极管具有单向导电性 1 2 3二极管的主要参数 1 最大整流电流IFM 2 反向击穿电压UBM 3 反向电流IR 4 最高工作频率fM 1 3特殊二极管 1 3 1稳压二极管 稳压二极管是一种特殊工艺制造的面接触型硅二极管 通常工作在反向击穿状态 稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样 1 基本概念 2 主要参数 1 稳定电压VZ 1 3 1稳压二极管 UZ是指稳压管在正常工作 流过的电流在规定范围内 时 稳压管两端的电压值 2 稳定电流IZ和最大稳定电流IZM IZ是指稳压管在正常工作时的参考电流值 通常为工作电压等于UZ时所对应的电流值 当工作电流低于IZ时 稳压效果变差 若工作电流低于IZmin将失去稳压作用 最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大反向电流 若工作电流高于IZM稳压管易击穿而损坏 3 最大耗散功率PZMPZM是指稳压管的稳定电压UZ与最大稳定电流IZM的乘积 它是由管子的温升所决定的参数 IZM和PZM是为了保证管子不发生热击穿而规定的极限参数 1 3 1稳压二极管 例1 3 1 图1 3 2是稳压管稳压电路 其中R是限流电阻 已知UI 20V R 1K RL 1 5K 稳压管的稳定电压UZ 8V 最大整流电流IZmax 10mA 试求稳压管中通过的电流IZ是否超过IZmax 稳压二极管在工作时应反接 并串入一只电阻R 电阻R起限流作用 保护稳压管 其次是当输入电压或负载电流变化时 通过该电阻上电压降的变化 取出误差信号以调节稳压管的工作电流 从而起到稳压作用 1 3 1稳压二极管 解 先假设稳压管开路 则 故稳压管能够击穿 UO UZ 8V因为 所以 IZmax因为IZ IZmax 故限流电阻选的合适 发光二极管 LED 是一种将电能转化为光能的特殊二极管 根据材料的不同可发出红 绿 兰 黄光泽 其工作电压一般为 1 5 3V 工作电流为 10mA 30mA 1 3 2发光二极管 又称为光敏二极管 反向偏置时光照导通 反向电流随光照强度的增加而上升 是一种将光信号转化为电信号的特殊二极管 如影碟机中的激光二极管 1 3 3光电二极管 1 4双极型三极管 双极型半导体三极管 简称BJT 又称为双极型晶体三极管或三极管 晶体管等 之所以称为双极型管 是因为它由空穴和自由电子两种载流子参与导电 三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关 1 4 1三极管的基本结构及类型 1 结构与符号 1 4 1三极管的基本结构及类型 2 三极管的分类 按材料可分为 硅管和锗管两类 按工作频率高低可分为 低频管 3MHz以下 和高频管 3MHz以上 两类 按功率分为 大 中 小功率等 根据特殊性能要求可分为开关管 低噪声管 高反压管等等 3 三极管结构特点 发射区的掺杂浓度最高 集电区掺杂浓度低于发射区 且面积大 基区很薄 一般在几个微米至几十个微米 且掺杂浓度最低 1 电流放大条件 三极管的电流放大作用是在一定的外部条件控制下 通过载流子传输体现出来的 内部条件 内部结构上的特点外部条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 1 4 2晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用 1 电流分配关系 2 电流放大关系 电流放大作用 基极电流较小的变化引起集电极电流较大的变化 即小量控制大量的作用 2 晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用 1 4 2晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用 输入特性曲线 1 4 3晶体三极管的伏安特性曲线 1 uCE 0V时 相当于两个PN结并联 3 uCE 1V再增加时 曲线右移很不明显 不同的UCE输入曲线几乎重合 2 当uCE 1V时 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 所以基区复合减少 在同一uBE电压下 iB减小 特性曲线将向右稍微移动一些 1 4 3晶体三极管的伏安特性曲线 输入特性曲线 1 4 3晶体三极管的伏安特性曲线 输出特性是只在基极电流IB一定的情况下 集电极与发射极之间的电压uCE与集电极电流iC之间的关系 即 2 输出特性曲线 通常把输出特性曲线分成截止 饱和 放大三个工作区来分析半导体三极管的工作状态 1 4 3晶体三极管的伏安特性曲线 总结三极管三个工作区的特点 见表1 4 1 表1 4 1晶体管在不同工作状态下的特点 例1 4 1 测得工作在放大电路中两个晶体管管脚对地的电位分别如下表所列 试判断管型 电极及所用材料 1 4 3晶体三极管的伏安特性曲线 晶体管1晶体管2 1 晶体管1中 3脚电位最高 它是集电极C 且为NPN型管 1脚和2脚之间的电压为0 6V 可确定1脚是基极 2脚是发射极 且为硅管 2 晶体管2中 1脚电位最低 它是集电极C 且为PNP型管 2脚和3脚之间的电压为0 3V 可确定2脚是基极 3脚是发射极 且为锗管 例1 4 2 在图1 4 6中 给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位 试判定这些三极管是硅管还是锗管 处于哪种工作状态 1 4 3晶体三极管的伏安特性曲线 a b c 图1 4 6例1 4 2图 1 在 a 图中 晶体管为NPN型 因为UBE 0 7V 发射结正偏 为硅管 又因为VB VC 集电结也正偏 故工作在饱和状态 例1 4 2 在图1 4 6中 给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位 试判定这些三极管是硅管还是锗管 处于哪种工作状态 1 4 3晶体三极管的伏安特性曲线 a b c 图1 4 6例1 4 2图 2 在 b 图中 晶体管为NPN型 因为UBE 0 3V 发射结正偏 为锗管 又因为VB VC 集电结反偏 故工作在放大状态 例1 4 2 在图1 4 6中 给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位 试判定这些三极管是硅管还是锗管 处于哪种工作状态 1 4 3晶体三极管的伏安特性曲线 a b c 图1 4 6例1 4 2图 3 在 c 图中 晶体管为PNP型 因为UBE 0 6 0 0 6V 发射结反偏 PNP型 又因为VB VC 集电结也反偏 故工作在截止状态 此时无法判别是硅管还是锗管 ICEO 1 ICBO 1 4 4晶体三极管的主要参数 1 4 4晶体三极管的主要参数 4 温度对三极管参数的影响 3 极限参数 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许耗散功率PCM 3 集电极击穿电压U BR CEO 1 对IEBO ICBO的影响 温度每升高10 ICBO增大一倍 2 对 的影响 温度每升高1 增加0 5 1 0 左右 3 对发射结导通电压UBE的影响 温度每升高1 UBE 减小2 2 5mV 晶体三极管 BJT 是一种电流控制元件 iB iC 工作时 多数载流子和少数载流子都参与导电 所以被称为双极型器件 场效应管 FieldEffectTransistor简称FET 是一种电压控制器件 uGS iD 工作时 只有一种载流子参与导电 因此它是单极型器件 FET因其制造工艺简单 功耗小 温度特性好 输入电阻极高等优点 得到了广泛应用 1 5场效应管 场效应管分类 1 5场效应管 1 5 1绝缘栅场效应管 1 N沟道增强型MOS管 1 结构及符号 栅源电压uGS的控制作用 2 工作原理 当uGS 0V时 管子截止 ID 0 当uGS 0V时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥 耗尽层 1 5 1绝缘栅场效应管 1 N沟道增强型MOS管 再增加UGS纵向电场 将P区少子电子聚集到P区表面 形成导电沟道 如果此时加有漏源电压 就可以形成漏极电流id 开启电压 UT 刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS 特性 uGS UT 管子截止 uGS UT 管子导通 uGS越大 沟道越宽 在相同的漏源电压uDS作用下 漏极电流ID越大 2 工作原理 1 5 1绝缘栅场效应管 3 特性曲线 1 5 1绝缘栅场效应管 P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同 只不过导电的载流子不同 供电电压极性不同而已 这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样 P沟道增强型MOS管 1 5 1绝缘栅场效应管 2 N沟道耗尽型MOS管 1 5 1绝缘栅场效应管 特点 当uGS 0时 就有沟道 加入uDS 就有iD 当uGS 0时 沟道增宽 iD进一步增加 当uGS 0时 沟道变窄 iD减小 夹断电压 UP 沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS 2 N沟道耗尽型MOS管 1 5 1绝缘栅场效应管 P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同 只不过导电的载