(二极管、三极管)解析.ppt

半导体器件 1半导体的基础知识 P型硅 N型硅2PN结及半导体二极管3特殊二极管4半导体三极管5场效应管 1 1本征半导体 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半导体的基本知识 化学元素周期表 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 称为本征半导体 在硅和锗晶体中 每个原子与其相临的原子之间形成共价键 共用一对价电子 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 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 1 2杂质半导体 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 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 载流子 电子 空穴 N型半导体 主要载流子为电子 电子半导体 P型半导体 主要载流子为空穴 空穴半导体 N型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 或锑 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相临的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子 每个磷原子给出一个电子 称为施主原子 硅或锗 少量磷 N型半导体 N型半导体 多余电子 磷原子 硅原子 P型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素 如硼 或铟 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 硼原子的最外层有三个价电子 与相临的半导体原子形成共价键时 产生一个空穴 这个空穴可能吸引束缚电子来填补 使得硼原子成为不能移动的带负电的离子 由于硼原子接受电子 所以称为受主原子 硅或锗 少量硼 P型半导体 空穴 P型半导体 硼原子 硅原子 空穴被认为带一个单位的正电荷 并且可以移动 杂质半导体的示意表示法 2 1PN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 2PN结及半导体二极管 P型半导体 N型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 在半导体中由于浓度差别 多数载流子 多子 从浓度高向浓度低的区域移动 称扩散运动 形成扩散电流 少数载流子 少子 在内电场作用下 有规则的运动称为漂移运动 形成漂移电流 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 空间电荷区中没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴 N区中的电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 P区中的电子和N区中的空穴 都是少子 数量有限 因此由它们形成的电流很小 漂移运动 注意 一 PN结正向偏置 内电场被削弱 扩散 飘移 多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流 正向电流 2 PN结的单向导电性 PN结处于导通状态 PN结正向偏置的意思是 P区加正 N区加负电压 只允许一个方向的电流通过 形成正向电流 称正向导通 二 PN结反向偏置 N P 内电场被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 R E PN结处于截止状态 反向电流 PN结反向偏置的意思是 P区加负 N区加正电压 反向电流极小 称反向截止 2 3半导体二极管 1 基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 2 伏安特性 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压U BR 二极管主要参数 最大整流电流 最大正向平均电流IOm 最大反向电压 最高反向工作电压URm 最大反向电流 IRm反映二极管的单向导通特性 二极管的应用 整流防反接限幅门电路 例1 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 二极管半波整流 例2 二极管的应用 uo 3 其它类型二极管 光电二极管光照影响反向电流 光强度高 反向电流大 发光二极管 LED 单管LED七段式数码管矩阵式LED显示屏稳压二极管 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 NPN型三极管 三极管符号 PNP型三极管 4 1基本结构 类型与符号 4半导体三极管 双极型晶体管 结构特点 发射极掺杂浓度最大 基区掺杂浓度最小 宽度最窄 集电极面积最大 以使晶体管具有放大作用 发射结 集电结 集电结 发射结 NPN型 PNP型 基本结构 4 2电流分配和放大原理 EB RB EC 基区空穴向发射区的扩散形成IEP 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBN 多数扩散到集电结边缘 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IEN IBN IB IBN IEP EB RB EC IBN IB IBN IEP 集电结反偏 使内电场增强 从发射区扩散到基区并到达集电结边缘的电子 在内电场的作用下 漂移进集电区 形成ICN 集电结反偏 有少子发生漂移运动 形成极小的反向电流ICBO ICBO IBN 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IEN 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBN 大部分扩散到集电结边缘 基区空穴向发射区的扩散形成IEP ICBO 直流电流放大倍数 PN结反向偏置 N P 内电场被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 R E PN结处于截止状态 反向电流 PN结反向偏置的意思是 P区加负 N区加正电压 反向电流极小 称反向截止 ICBO ICN 集电结反偏 使内电场增强 从发射区扩散到基区并到达集电结边缘 数量极大的电子 在内电场的作用下 漂移进集电区 形成极大ICN IB IBE ICBO IBE ICE与IBE之比称为电流放大倍数 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 NPN型三极管 PNP型三极管 三极管的电流方向和发射结与集电结所处的极性 4 3特性曲线 IC V UCE UBE RB IB EC EB 实验电路 一 输入特性曲线 工作压降 硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 2V 输入特性曲线是指UCE为常数时 IB与UBE之间的关系曲线 即 二 输出特性曲线 IC mA 此区域满足IC IB称为线性区 放大区 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 输出特性曲线是指IB为常数时 IC与UCE之间的关系曲线 即 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC 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 放大区 发射结正偏 集电结反偏 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 即 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 前面的电路中 三极管的发射极是输入输出的公共点 称为共射接法 相应地还有共基 共集接法 共射直流电流放大倍数 工作于动态的三极管 真正的信号是叠加在直流上的交流信号 基极电流的变化量为 IB 相应的集电极电流变化为 IC 则交流电流放大倍数为 4 4主要参数 在以后的计算中 一般作近似处理 例 UCE 6V时 IB 40 A IC 1 5mA IB 60 A IC 2 3mA 2 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流 受温度的变化影响 B E C N N P ICBO进入N区 形成IBE 根据放大关系 由于IBE的存在 必有电流 IBE 当集电结反偏时 集电区的空穴漂移到基区而形成的ICBO 3 集 射极反向截止电流ICEO ICEO受温度影响很大 当温度上升时 ICEO增加很快 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 4 集电极最大允许电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的 值的下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 5 集 射极反向击穿电压U BR CEO 当集 射极之间的电压UCE超过一定的数值时 三极管就会被击穿 手册上给出的数值是25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO 6 集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC流过三极管 所发出的焦耳热为 PC ICUCE 必定导致结温上升 所以PC有限制 PC PCM ICUCE PCM 安全工作区 三极管开关电路 控制较大功率的LED开关 5场效应晶体管 场效应管与晶体管不同 它是多子导电 输入阻抗高 温度稳定性好 结型场效应管JFET 绝缘栅型场效应管MOS 场效应管有两种 MOS绝缘栅场效应管 N沟道 1 结构 P型基底 两个N区 SiO2绝缘层 金属铝 N导电沟道 N沟道增强型 2 符号 N沟道耗尽型 栅极 漏极 源