第1章 半导体器件.ppt

第1章半导体器件 1半导体的导电特性 2半导体二极管 3双极晶体管 一 本征半导体的导电特性 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 1半导体的导电特性 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 称为本征半导体 绝对零度时绝缘 常温 300K 下 本征半导体的导电能力很弱 内部载流子为电子 和空穴 对 半导体的导电特性 热敏性和光敏性半导体的导电能力在环境温度升高或光照加强时随之增强掺杂性在纯净的半导体中掺入微量杂质后 半导体的导电能力显著提高 二 掺杂半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 N型半导体 主要载流子为电子 电子型半导体 P型半导体 主要载流子为空穴 空穴型半导体 1 N型半导体 negativetype 多余电子 磷原子 硅原子 硅或锗 少量磷 N型半导体 自由电子是多数载流子 多子 空穴是少数载流子 少子 空穴 2 P型半导体 positivetype 硼原子 硅原子 空穴是多数载流子 多子 自由电子是少数载流子 少子 硅或锗 少量硼 P型半导体 掺杂半导体的示意表示法 通过控制掺杂内容和掺杂量 可以控制半导体内主要的导电机构和导电能力 1 PN结的形成 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 也叫耗尽层 高阻层 势垒区 阻挡层 三 PN结 P型半导体 N型半导体 空间电荷区 PN结处载流子的运动 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 PN结处载流子的运动 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 内电场同时阻碍扩散运动 P型半导体 N型半导体 PN结处载流子的运动 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 1 PN结的形成 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 也叫耗尽层 高阻层 势垒区 阻挡层 三 PN结 动态平衡时的空间电荷区 就是PN结 PN结的应用 半导体 TE 制冷 不需机械传动 不需管道和压缩机 不用制冷剂 没有噪声 结构紧凑坚固 价格又便宜 用在不能采用常规制冷的地方 珀耳帖 Peltier 效应 塞贝克效应 汤姆孙效应 珀耳帖效应 应用 1 温差电偶 热电偶 测温 测量范围广 灵敏度 准确度高 敏感面和热容量小 2 温差电堆 热电堆 可用作电源 3 半导体制冷 光电池和太阳能电池 P N 10 7m U 2 PN结的单向导电性 PN结加上正向电压 正向偏置的意思都是 P区加正 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置的意思都是 P区加负 N区加正电压 PN结正向偏置 内电场减弱 使扩散加强 扩散 漂移 正向电流大 P N PN结反向偏置 N P 内电场加强 使扩散停止 有少量漂移 反向电流很小 反向饱和电流很小 A级 PN结的单向导电性是构成各种半导体器件的基础 PN结正向偏置时低阻导通PN结反向偏置时高阻截止 2半导体二极管 diode 一 基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 二 伏安特性1 正向特性2 反向特性 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压U BR 三 静态电阻Rd 动态电阻rD 静态工作点Q UQ IQ 静态电阻Rd 动态电阻rD 静态电阻 Rd UQ IQ 非线性 动态电阻 rD UQ IQ 在工作点Q附近 动态电阻近似为线性 故动态电阻又称为微变等效电阻 例 二极管的应用 设RC时间常数很小 uo C 三 二极管的主要参数用来说明管子的性能和使用时应受到的限制 保证正确 安全地使用 最大整流电流IOM 最大正向电流 额定整流电流 工作电流 最大反向工作电压URM 反向工作峰值电压 最大反向电流IRM 反向峰值电流 四 二极管的整流作用 实际二极管 死区电压 0 5V 正向压降 0 7V 硅二极管 理想二极管 死区电压 0 正向压降 0 1 半波整流 RL 2 全波整流 ui uo t t ui uo D1 D2 D3 D4 五 特殊用途的二极管 稳压二极管 当稳压二极管工作在反向击穿状态下 当工作电流IZ在Izmax和Izmin之间时 其两端电压近似为常数 正向同二极管 稳定电流 稳定电压 例 稳压二极管的应用 稳压二极管技术数据为 稳压值UZW 10V Izmax 12mA Izmin 2mA 负载电阻RL 2k 输入电压Ui 12V 限流电阻R 200 若负载电阻变化范围为1 5k 4k 是否还能稳压 UZW 10VUi 12VR 200 Izmax 12mAIzmin 2mARL 2k 1 5 4k I Ui UZ R 12 10 0 2 10 mA IL Uo RL UZ RL 10 2 5 mA IZ I IL 10 5 5 mA RL 1 5k IL 10 1 5 6 7 mA IZ 10 6 7 3 3 mA RL 4k IL 10 4 2 5 mA IZ 10 2 5 7 5 mA 根据电子与空穴复合时要放出能量的原理制成 不同材料制成的管子可以发出不同颜色的光 发光强度与它的正向电流大小成线形关系 2 发光二极管LED light emitting diode 六 二极管的简单测试 用万用表欧姆档R 100 或R 1k 两表笔分别接两极 黑表笔接内电源 红表笔接内电源 再对调 看两次电阻值 两次测得电阻值均小 说明二极管内部短路 两次测得电阻值均大 说明二极管内部断路 两次测得电阻值一大一小 一次大于几百k 一次几百 几k 时 说明二极管正常 七 二极管的分类和型号 分类材料 硅管 锗管 PN结面积 点接触型 面接触型 用途 稳压管 整流管 发光管 型号如 2AP9 2CW3 电极数目 普通管 稳压管 序号 N型硅管 双极晶体管 transistor 一 基本结构 NPN型 PNP型 发射结 集电结 1 双极晶体管符号 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 结面积较大 发射区 掺掺杂浓度较大 2 双极晶体管结构特点 二 电流放大原理 发射极电流IE等于基极电流IB与集电极电流IC之和IC比相应的IB大得多IB很小的变化会引起IC很大的变化 晶体管的电流放大作用体现了基极电流对集电极电流的控制作用 1 电流分配关系 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 EB RB Ec 从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集 形成IC 要使双极晶体管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 静态电流放大倍数 2 静态电流放大倍数 动态电流放大倍数 动态电流放大倍数 IB IB IB 三 特性曲线 IB与UBE的关系曲线 同二极管 1 输入特性 死区电压 硅管0 5V 工作压降 硅管UBE 0 7V 2 输出特性 IC与UCE的关系曲线 IC mA Q Q 输出特性 IC mA 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 且 IC IB 此区域称为线性放大区 此区域中UCE UBE 集电结正偏 UCE 0 3V称为饱和区 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 输出特性三个区域的特点 1 放大区IC IB 且 IC IB BE结正偏 BC结反偏 2 饱和区IC达饱和 IC与IB不是 倍的关系 BE结正偏 BC结正偏 即UCE UBE UCE 0 3V UBE 0 7V 3 截止区UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 ICEO穿透电流 很小 A级 放大区 发射结正偏 集电结反偏 电流放大作用饱和区 两个PN结均正偏 UCE很小 相当于开关接通截止区 两个PN结均反偏 IC 0 相当于开关断开 饱和区和截止区是晶体管的开关工作状态 只要控制晶体管的发射结和集电结的偏置情况 便可以使晶体管起电流放大作用或起开关作用 例 50 EC 12V RB 70k RC 6k 当EB 2V 2V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 EB 2V IB 0 IC 0 Q位于截止区 EB 2V IB EB UBE RB 2 0 7 70 0 019mAIC最大饱和电流ICS EC UCE RC 12 0 6 2mAIC IB 50 0 019 0 95mA ICS 2mA Q位于放大区 50 EC 12V RB 70k RC 6k 当EB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 EB 5V IB EB UBE RB 5 0 7 70 0 061mAIC IB 50 0 061 3 05mA ICS 2mA Q位于饱和区 实际上 此时IC和IB已不是 的关系 四 双极晶体管的技术数据 电流放大倍数 集 射间穿透电流ICEO 集 射间反向击穿电压UCEO BR 集电极最大电流ICM 集电极最大允许功耗PCM 五 双极晶体管的简单测试 1 NPN管型和PNP管型的判别2 E B C三个管脚的判别3 硅管和锗管的判别4 估计比较 的大小5 估测ICEO 1 NPN管型和PNP管型的判别 用万用表欧姆档R 100 或R 1k 黑表笔接任一管脚 红表笔分别和另外两管脚相接 如一个阻值很大 一个阻值很小 则应把黑表笔所接的管脚调换一个 再按上述方法测试 若两次阻值都很大 则黑表笔所接为PNP型的基极 如果测出两个阻值都很小 约5k 则黑表笔所接为基极 是NPN型 B E C C 2 E B C三个管脚的判别 若NPN型 B极已确定 手指连接B C 假定的 B C不相碰 黑红表笔分别接另两脚 黑接C 红接E