14半导体器件2.ppt

14半导体二极管及其应用 14 1半导体基础知识 根据物质导电能力 电阻率 不同 划分为导体 绝缘体和半导体 半导体的电阻率为10 3 109 cm 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 半导体的特点 1 导电能力不同于导体 绝缘体 2 受外界光和热刺激时导电能力发生很大变化 光敏元件 热敏元件 3 掺进微量杂质 导电能力显著增加 半导体 本征半导体 纯净的半导体晶体 硅和锗是四价元素 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 原子按一定规律整齐排列 形成晶体点阵后 结构图为 本征激发和两种载流子当T 0K和无外界激发时 导体中没有载流子 不导电 当温度升高或受到光的照射时 价电子能量增高 有的价电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 本征激发 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 这个空位为空穴 例 纯净硅晶体中硅原子数为1022 cm3数量级 在室温下 载流子浓度为ni pi 1010 cm3数量级 掺入百万分之一的杂质 10 6 则掺杂后载流子浓度为106 1010 约为1016数量级 比掺杂前载流子增加106 即一百万倍 意味着导电能力增加了一百万倍 多余电子 成为自由电子 自由电子 N型半导体 电子型半导体 Negative 在本征半导体中掺入五价的元素 磷 砷 锑 电子为多数载流子 P型半导体 空穴型半导体 Positive 在本征半导体中掺入三价的元素 硼 空穴为多数载流子 空穴 空穴 PN结的形成 一块本征半导体两侧通过扩散不同杂质 分别形成P型半导体和N型半导体 扩散运动 空间电荷区 削弱内电场 漂移运动 内电场 动态平衡 电荷区空间 PN结的单向导电性 外电场方向与内电场方向相反空间电荷区 耗尽层 变薄扩散 漂移导通电流很大 呈低阻态 加正向电压 正偏 P N P区的空穴和N区的电子 统称少子 背离空间电荷区漂移 空间电荷区的离子增加 空间电荷区加宽 空间电荷区阻碍P区空穴和N区电子向对方区域扩散 但对P区电子 少子 和N区空穴 少子 的漂移有利 形成漂移电流 即 PN结的反向电流IR 也称 反向饱和电流IS 外电场与内电场相同耗尽层加厚漂移 扩散形成反向电流IR 很小 呈高阻态 N 加反向电压 反偏 P N PN结正向偏置 导通 PN结反向偏置 截止 这种PN结导电现象 与加在PN结的电压极性有关 把这种现象称为 PN结的单向导电性 总结 PN结正向电阻小 反向电阻大 单向导电性 电路符号 正极 负极 半导体二极管的结构二极管按结构分有点接触型 面接触型 平面型三大类 1 点接触型二极管 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于大电流整流电路 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 14 3二极管Diode 3 平面型二极管 一般用作大功率整流管和数字电路中的开关管 半导体二极管伏安特性曲线 式中IS为反向饱和电流 VD为二极管两端的电压降 VT kT q称为温度的电压当量 k为玻耳兹曼常数 q为电子电荷量 T为热力学温度 对于室温 相当T 300K 则有VT 26mV 第一象限的是正向伏安特性曲线 第三象限的是反向伏安特性曲线 1 正向特性 硅二极管的死区电压Vth 0 5 0 8V左右 锗二极管的死区电压Vth 0 2 0 3V左右 当0 V Vth时 正向电流为零 Vth称死区电压或开启电压 正向区分为两段 当V Vth时 开始出现正向电流 并按指数规律增长 反向区也分两个区域 当VBR V 0时 反向电流很小 且基本不随反向电压的变化而变化 此时的反向电流也称反向饱和电流IS 当V VBR时 反向电流急剧增加 VBR称为反向击穿电压 2 反向特性 硅二极管的反向击穿特性比较硬 比较陡 反向饱和电流也很小 锗二极管的反向击穿特性比较软 过渡比较圆滑 反向饱和电流较大 若 VBR 7V时 主要是雪崩击穿 若 VBR 4V时 则主要是齐纳击穿 3 反向击穿特性 二极管的主要参数1 最大整流电流IF 即二极管允许通过的最大电流 大好 2 反向工作峰值电压UR 二极管能承受的最高反向电压 高好 3 反向峰值电流IR 反向偏置未击穿时 最大电流 小好 4 最高工作频率fM 保持单向导电性能的最高频率 高好 4 2 4二极管极性的简易判别法利用万用表的 档测量二极管的正 反向电阻 正向电阻范围约几十 几百欧姆 反向电阻几十 几百千欧姆 4 2 5二极管等效电路1 理想模型 开关 认为二极管电压降 导通电压 等于0 正向偏置时 电阻为0 直通 反向偏置时 电阻为无穷大 开路 伏安特性见红线部分 理想二极管 2 恒压降模型 开关 电压源0 7V 认为二极管有固定的电压降 导通电压 0 7V 3 折线模型 开关 电压源0 5V 电阻200 认为二极管不固定电压降 导通电压 4 小信号模型 微变电阻 认为二极管电流在某一点附近的小范围工作 例 求 3种模型在 1 VDD 10V 2 VDD 1V情况下 二极管的电流ID和两端电压VD 导通电压为0 7V rD 200 R 10K 解 1 VDD 10V 理想模型 恒压降模型 折线模型 解 2 VDD 1V 理想模型 恒压降模型 折线模型 二极管的应用二极管整流电路 半波整流 将交流信号变换为单向脉动直流信号 交流信号ui正半周 二极管导通 电阻两端电压同ui 交流信号ui负半周 二极管截止 电阻两端电压为0 电阻两端电压波形 称为单向脉动直流电压 桥式整流电路 正半周 D1 D3导通D2 D4截止 负半周D2 D4导通D1 D3截止 桥式整流电路的结构特征 1 交流侧ab端的二极管的管脚是异极性相连 2 直流侧cd端的二极管的管脚是同极性相连 3 二极管负极输出电压的正极 正极输出电压的负极 限幅电路可用理想模型分析 U1正半周时 当U1 US VD截止 UO U1 当U1 US VD导通 UO US U1负半周时 VD截止 UO U1 解 Vi 3 6V时 二极管导通 vo 3 6V Vi 3 6V时 二极管截止 vo Vi 二极管限幅电路 已知电路的输入波形为vi 二极管的VD为0 6伏 试画出其输出波形 与门电路用理想模型分析 信号高电压表示二进制的 1 信号低电压表示二进制的 0 逻辑0 否定 逻辑1 肯定 与逻辑 有0出0 全1出1 例求输出电压Uab 设二极管导通时电压为0 7V 解 采用移去二极管方法分析二极管两端电压 来确定二极管能否导通 VD1截止 VD2导通 ab点电压 例判别二极管是导通还是截止 二极管为理想 9V 1V 2 5V 12 5V 14V 1V 截止 截止 解 18V 2V 2 5V 12 5V 14V 1V 导通 14 4稳压管稳压二极管符号稳压管特性曲线三个特殊点 1 稳定电压UZ2 最小稳定电流Imin3 最大允许电流IZm稳压管连接方法 并联式稳压电路 稳压管的主要参数1 稳定电压UZ 选用稳压管的最基本参数 2 稳定电流IZ 是个范围 最小稳定电流 最大稳定电流 3 额定功耗PZM 电压乘电流 不能超过的范围 4 动态电阻rd 动态电阻越小 稳压特性越好 5 温度系数 U 稳定电压小于4V 负温度系数 稳定电压大于7V正温度系数 例 如图 已知UZ 10V 负载电压UL 5 10 15 20 A 光电器件1 发光二极管 简称 LED 符号 颜色有 红 绿 黄 蓝 白等 工作电压比普通二极管高约从1 5V 3V 2 光电二极管 符号 工作特点 反向偏置工作 3 光电晶体管 符号 灵敏度要比光电二极管来的高 小结1 半导体基本知识 本征激发 多数载流子 少数载流子 P N型半导体 半导体导电性受温度 光照的影响2 PN结 PN结形成 空间电荷区 内电场 单向导电性 非线性的伏安特性 正向 反向 反向击穿 死区 开启 电压 等效模型3 二极管应用 整流 检波 限幅 逻辑 稳压4 其他二极管 发光 变容 光电 激光等二极管 问与答1 PN结伏安特性分为哪3个区域 2 二极管正向电阻与反向电阻哪个大 3 硅二极管的导通电压一般取几伏 4 二极管的简化模型有几种 一般根据什么原则选用 5 稳压电路中的限流电阻计算原则 14 5双极型三极管半导体双极型三极管是具有电流放大功能的元件 频率 高频管 低频管 功率 材料 小 中 大功率管 硅管 锗管 类型 NPN型 PNP型 半导体三极管的基本结构 三极管内部结构 基区 集电区 发射区 基极 集电极 发射极 集电结 发射结 NPN型 T 基极B Base发射极E Emitter集电极C Collector PNP型 T 三极管内部结构特点 发射区 掺杂质最多 多数载流子最多 基区 掺杂质最少 最薄 多数载流子少 集电区 面积最大 容易收集多数载流子 三极管的二个PN结有点象二极管背靠背的连接 三个电极 发射极e emitter 基极b base 集电极c collector 发射极的箭头表示电流的方向PNP三极管NPN三极管 三极管电流放大作用的条件1 外部 三个电极加电压如下发射结 正偏 加正向电压VBB 集电结 反偏 加反向电压VCC VCC VBB2 内部 内部载流子的运动过程发射区向基区发射电子 大量发射 电子在基区扩散和复合 少量复合 集电结收集电子的过程 多数收集 3 三极管电流分配关系 发射极是输入和输出的公共端 这种电路为 共发射极电路 1 50 100 RB RC VBB VCC N N P 三极管的共射特性曲线P21 硅 NPN管为例 输入特性曲线 伏安特性 输出特性曲线 伏安特性 输入曲线 与二极管的伏安特性曲线类似 导通电压 硅 0 7V左右锗 0 3V左右 截止区在三极管截止状态下 ce之间会有一个小电流叫穿透电流ICEO 不受基极电流的影响 但受温度影响较大 集电结反偏 发射结反偏 饱和区 UCE UBE时 三极管饱和 此时UCE称饱和压降 集电结正偏 发射结正偏 放大区 线性区 除了截止区和饱和区外 便是放大区 此时 集电极电流IC大小仅受基极电流IB控制 而几乎和UCE大小无关 即 集电结反偏 发射结正偏 三极管的主要参数P241 共射电流放大系数和直流电流放大系数交流电流放大系数两者定义不同 但数值上相差甚小 使用时可不加区分 2 反向饱和电流ICBO和穿透电流ICEOICBO指发射极开路 cb间反向饱和电流 极微 忽略 ICEO指基极开路 ce间穿透电流电流 很小 受温度影响大 3 集电极最大允许电流ICMIC ICM使 显著下降的IC 称ICM 4 集电极最大允许功耗PCM集电结电流产生热量消耗的功率PCMSi管允许结温150度ICUCE PCM5 反向击穿电压UCEO基极开路时 ce之间允许最大的电压 UCE UCEO说明 几乎所有的三极管参数都受温度影响 其中3个参数最显著 1 电流放大系数 随温度上升 上升 2 发射结电压UBE随温度上升 UBE下降 3 反向饱和电流ICEO随温度上升 ICEO上升 但硅管可忽略 例 有三只三极管 分别为 锗管 150 ICBO 2 A 硅管 100 ICBO 1 A 硅管 40 ICEO 41 A 试从 和温度稳定性选择一只最佳的管子 解 锗管 值最大 ICBO 2 A ICEO 200 A温度稳定性较差 硅管 值较大 ICBO 1 A ICEO 100 A 硅管 值较小 ICEO 41 A ICBO 1 A ICBO相等 但 的 较大 故选 管 例下面的3个三极管处于放大区 根据放大的条件和2类三极管的偏置要求 确定三极管的类型和引脚排列 解 1 确定三极管的类型 根据NPN类型的三极管处于放大区时 e极电位最低 c极电位最高 PNP类型反之 2 确定三极管e b c电极和硅管 锗管 根据放大区发射结正偏 硅管0 7V 锗管0 3V 确定3个极和三极管材料 作业 P12 14 3 114 3 514 3 814 3 9P16 14 4 3P27 14 5 1014 5 11P30 14 3 414