半导体二极管和晶体管.ppt

第四章半导体二极管和晶体管 4 1半导体基础知识 4 2半导体二极管 4 3晶体管 1半导体基础知识 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 4 1 1 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 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 1 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 导电性 与杂质浓度和温度有关在绝对零度 273 和没有外界影响时 所有价电子都被束缚在共价键内 晶体中没有自由电子 所以半导体不能导电 晶体中无载流子 硅原子 Silicon 4 价电子 ValenceElectron 本征半导体 1 本征半导体的结构 由于热运动 具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置 称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失 称为复合 共价键 一定温度下 自由电子与空穴对的浓度一定 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浓度加大 电子空穴对产生 复合 维持动态平衡 对应的电子空穴浓度称为本征载流子浓度 外加电场时 带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电 且运动方向相反 由于数目很少 故导电性很差 2 本征半导体中的两种载流子 温度升高 热运动加剧 载流子浓度增大 导电性增强 热力学温度0K时不导电 4 1 2 杂质半导体1 N型半导体 磷 P 施主杂质 杂质半导体主要靠多数载流子导电 掺入杂质越多 多子浓度越高 导电性越强 实现导电性可控 多数载流子 硼 B 受主杂质 多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电 掺入杂质越多 空穴浓度越高 导电性越强 1 P型半导体 在电场作用下 半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流 电子电流 空穴电流 1漂移电流 DriftCurrent 4 1 3 PN结的形成及其单向导电性 2扩散电流 DiffusionCurrent 主要取决于该处载流子浓度差 即浓度梯度 浓度差越大 扩散电流越大 而与该处的浓度值无关 PN结的形成及其单向导电性 P区空穴浓度远高于N区 N区自由电子浓度远高于P区 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低 靠近接触面N区的自由电子浓度降低 产生内电场 PN结的形成 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同 达到动态平衡 就形成了PN结 即扩散过去多少多子 就有多少少子漂移过来 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子 形成内电场 从而阻止扩散运动的进行 内电场使空穴从N区向P区 自由电子从P区向N区运动 PN结加正向电压导通 耗尽层变窄 扩散运动加剧 由于外电源的作用 形成扩散电流 PN结处于导通状态 PN结的单向导电性 PN结加反向电压截止 耗尽层变宽 阻止扩散运动 有利于漂移运动 形成漂移电流 由于电流很小 故可近似认为其截止 PN结的单向导电性 PN结电流方程 开启电压 反向饱和电流 击穿电压 当u比UT大几倍时 即呈现指数变化 当u 0时 且 u 比UT大几倍时 PN结电流方程讨论 PN结的击穿特性 当反向电压超过U BR 后 u 稍有增加时 反向电流急剧增大 这种现象称为PN结反向击穿 Breakdown 轻掺杂 耗尽区较宽 少子动能增大 碰撞中性原子 产生电子 空穴对 连锁反应 产生大量电子 空穴对 反向电流剧增 雪崩击穿 AvalancheMultiplication 重掺杂 耗尽区很窄 强电场 将中性原子的价电子直接拉出共价键 产生大量电子 空穴对 反向电流增大 齐纳击穿 ZenerBreakdown PN结的电容效应 1 势垒电容 PN结外加电压变化时 空间电荷区的宽度将发生变化 有电荷的积累和释放的过程 与电容的充放电相同 其等效电容称为势垒电容Cb 2 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时 PN结两侧靠近空间电荷区的区域内 在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化 也有电荷的积累和释放的过程 其等效电容称为扩散电容Cd 结电容 4 2二极管 一 二极管的基本结构 二 二极管的伏安特性及主要参数 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 小功率二极管 大功率二极管 稳压二极管 发光二极管 点接触型 面接触型 平面型 一 二极管的组成 二 二极管的伏安特性及电流方程 开启电压 反向饱和电流 击穿电压 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性 1 单向导电性 2 伏安特性受温度影响 T 在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS U BR T 正向特性左移 反向特性下移 正向特性为指数曲线 反向特性为横轴的平行线 二极管的伏安特性 电击穿 二极管的反向电流随外电路变化 反向电压维持在击穿电压附近 稳压管 由于功率过高造成破坏性的击穿 热击穿 二极管的反向击穿 二极管的等效电路及其应用 由于二极管的非线性特性 当电路加入二极管时 便成为非线性电路 实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似 得到相应的等效电路 化为线性电路 对电子线路进行定量分析时 电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效表示 这称为 建模 1理想二极管模型2恒压降模型3折线模型 二极管的等效电路及其应用 理想二极管 近似分析中最常用 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 将伏安特性折线化 交流小信号模型 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 一 二极管整流电路 晶体二极管电路的应用 V RL ui uo a 电路 半波整流电路 若稳压管的电流太小则不稳压 若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏 因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻 二 稳压管稳压电路 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流 由一个PN结组成 反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变 为稳定电压 限流电阻 晶体二极管电路的应用 1 稳定电压UZ 2 额定功耗PZ 击穿后流过管子的电流为规定值时 管子两端的电压值 由管子升温所限定的参数 使用时不允许超过此值 3 稳定电流IZ 4 动态电阻rZ 5 温度系数 在击穿状态下 两端电压变化量与其电流变化量的比值 表示单位温度变化引起稳压值的相对变化量 一般为几欧姆到几十欧姆 越小越好 2 稳压管稳压电路主要参数 晶体二极管电路的应用 ui E UD ON 三 二极管限幅电路 晶体二极管电路的应用 R 510 假定输入电压变化范围为18 24V 试确定负载电流的允许变化范围 例4 2 1在图4 2 6的稳压电路中 稳压管2CW14 UZ 6V IZmin 5mA IZmax 33mA 1 计算IRmax和IRmin 计算ILmax及ILmin 由于IR IL IZ 当Ui Uimax和IL ILmin时 流过IZ的电流最大 为了使稳压管能安全工作 应使 因此 即IL的允许变化范围为2 3 18 5mA BJT BipolarJunctionTransistor 双极型晶体管 晶体三极管 半导体三极管 双极型器件两种载流子 多子 少子 4 3晶体三级管 几种常见晶体管的外形 4 3 1晶体管的结构及其类型 e c b 发射极 基极 集电极 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 N P N a NPN管的原理结构示意图 b 电路符号 base collector emitter 符号中发射极上的箭头方向 表示发射结正偏时电流的流向 晶体管的结构 b 电路符号 a PNP型三极管的原理结构 符号中发射极上的箭头方向 表示发射结正偏时电流的流向 图 平面管结构剖面图 结构特点 1 三区两结2 基区很薄3 e区重掺杂c区轻掺杂b区掺杂最轻4 集电区的面积则比发射区做得大 这是三极管实现电流放大的内部条件 4 3 2晶体管的电流分配与放大作用 以NPN管为例 一 放大状态下晶体管中载流子的运动 BJT处于放大状态的条件 内部条件 发射区重掺杂 故管子e c极不能互换 基区很薄 几个 m 集电结面积大外部条件 发射结正偏集电结反偏 NPN型晶体管的电流关系 外加偏置电压要求 对NPN管UC UB UE 对PNP管要求UC UB UE 二 电流分配关系 IEP 基区向发射区扩散所形成的空穴电流 很小 集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流 很小 晶体管是流控元件 晶体管的主要功能 电流控制 基极电流控制集电极电流 电流放大 放大的比例关系一定 c e I E N P N I B b I BN I EN I CN I C 共射极直流电流放大系数 一般 三 直流电流放大系数 4 3 3晶体管的特性曲线 晶体管特性曲线 描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线 a 共发射极 b 共集电极 c 共基极 下面以共射极电路为测试电路 4 3 3 1共射极输入特性曲线 共射组态晶体管的输入特性 它是指一定集电极和发射极电压UCE下 三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线 UCE 0时 e与c短路 发射结与集电结并联 特性类似PN结 UCE增大时 曲线右移 4 3 3 2共射极输出特性曲线 共射组态晶体管的输出特性 它是指一定基极电流IB下 三极管的输出回路集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线 u C E V 5 10 15 0 1 2 3 4 i C m A I c C e I E N P N I B R C U CC U BB R B b IB 10 A u C E V 5 10 15 0 1 2 3 4 i C m A IB 10 A u C E V 5 10 15 0 1 2 3 4 i C m A c I C e I E N P N I B R C U CC U BB R B 15V b I BN I EN I CN ICBO 共射输出特性曲线 共射输出特性曲线 一 放大区 发射结正向偏置 集电结反向偏置uCE uBE uBE Uon1 基极电流iB对集电极电流iC的控制作用很强 在数值上近似等于 问题 特性图中 100 2 uCE变化时 iC影响很小 恒流特性 即 iC仅决定于iB 与输出环路的外电路无关 放大区 二 饱和区 发射结和集电结均正向偏置 临界饱和 uCE uBE uCB 0 集电结零偏 饱和区 1 iB一定时 iC比放大时要小三极管的电流放大能力下降 通常有iC iB 2 uCE一定时iB增大 iC基本不变 图2 6饱和区载流子运动情况 饱和压降UCE sat 饱和时 集电极和发射极之间的电压UCE sat 0 3V 小功率Si管 UCE sat 0 1V 小功率Ge管 3 三极管的集电极和发射极近似短接 三极管类似于一个开关 导通 饱和区 三 截止区 发射结和集电结均反向偏置 iB iCBO 此时iE 0 以下称为截止区 工程上认为 iB 0以下即为截止区 图2 7截止区载流子运动情况 若不计穿透电流ICEO 有iB iC近似为0 三个电极的电流都很小 三极管类似于一个开关 断开 截止区 4 3 4晶体管的主要参数 一 电流放