第8章 半导体器件

第8章半导体二极管和三极管 第8章半导体二极管和三极管 8 1半导体的基本知识 8 2PN结与二极管 8 3半导体三极管 8 4场效应管 教学要求 理解PN结的单向导电性 三极管的电流分配和放大作用 了解二极管 稳压管和三极管的基本构造 工作原理和伏安特性曲线 理解主要参数的意义 会分析含有二极管的电路 了解场效应管特性 8 1半导体的导电性能 导体 半导体和绝缘体 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 半导体的三个特性 在加热或光照加强时 半导体的阻值显著下降 导电能力增强类似于导体 半导体具有热敏特性和光敏特性是由半导体的内部结构 图1 1 所决定的 1 热敏特性和光敏特性 半导体的三个特性 往纯净的半导体中掺入某些杂质 导电能力明显改变 可做成各种不同用途的半导体器件 如二极管 三极管和晶闸管等 2 掺杂性 8 1 1本征半导体 纯净的半导体晶体称为本征半导体 1 本征半导体的共价键结构 硅 硅原子外层轨道4个价电子 它与相邻原子靠得很近 使价电子成为两个原子公有 形成共价键结构 共用电子对 2 本征半导体的导电机理 1 载流子 自由电子 空穴载流子 运载电荷的微粒 在绝对温度T 0K 开尔文 和没有外界激发的前提下 本征半导体内的价电子全部被束缚在共价键中 不能自由运动 被称为束缚电子 不能参与导电 8 1 2杂质半导体 半导体的导电能力取决于载流子的数目 本征半导体受热激发只产生少量电子空穴对 载流子浓度很低 外加电场作用 电流极其微弱 若在本征半导体中掺入微量杂质 则导电性能大为改观 掺入百万分之一的杂质 载流子浓度增加1百万倍 N型半导体 在纯净半导体中掺入微量的五价元素 如磷 后形成 P型半导体 在纯净半导体中掺入微量的三价元素 如硼 后形成 掺杂的本证半导体的电流形成过程动画 1 出现幻灯片5中的图1 1 2 将图1 1换成图1 2 3 出现光照或加热标识 出现图中蓝线范围内的电子跑动动画和自由电子移动后形成的空穴动画 4 出现图1 3 电子和空穴移动形成的电流动画 1 N型半导体 自由电子 磷原子带正电 电子 空穴对 2 P型半导体 硼原子 空穴 电子 空穴对 P型半导体与N型半导体区别 8 2PN结与二极管 1 PN结的形成 在一块纯净的半导体晶片上 采用特殊的掺杂工艺 在两侧分别掺入三价元素和五价元素 一侧形成P型半导体 另一侧形成N型半导体 多子扩散 空间电荷区 当扩散和漂移达到动平衡 即形成PN结 内电场 少子漂移 动画 PN结的形成 Step1 取ppt的第14张的图Step2 外加电场后 取ppt的第8张的图 注意载流子的方向 8 2 2PN结的单向导电性 PN结正向偏置 结构 P区加正电压 N区加负电压 特点 结电阻很小 正向电流较大 PN结反向偏置 结构 P区加负电压 N区加正电压 特点 结电阻很高 反向电流很小 PN结正向偏置 P N 内电场被削弱 多子的扩散加强能够形成较大的扩散 正向 电流 PN结反向偏置 外电场 N P 内电场被被加强 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 8 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 二极管导通电路 E D PN结加正向电压 PN结加反向电压 二极管伏安特性和主要参数 反向击穿电压UBR 击穿 雪崩击穿 齐纳击穿 导通压降 死区电压 提示 2 死区电压硅管0 5V 锗管0 1V 1 导通压降硅0 6 0 8V 锗0 2 0 3V 主要参数 1 最大整流电流IOM二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 超过IOM二极管的PN结将过热而烧断 2 反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值 击穿时反向电流剧增 二极管的单向导电性被破坏 甚至过热而烧坏 3 最大反向饱和电流IRM这个电流愈小二极管的单向导电性愈好 温升时 IRM增大 4 二极管的直流电阻5 最高工作频率 二极管电路分析方法 导通截止 分析方法 将二极管断开 分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负 若V阳 V阴或UD为正 正向偏置 二极管导通若V阳 V阴或UD为负 反向偏置 二极管截止 若二极管是理想的 正向导通时正向管压降为零 反向截止时二极管相当于断开 定性分析 判断二极管的工作状态 二极管的应用 利用二极管的单向导电性 可实现整流 限幅 钳位 检波 保护 开关等 1 整流电路整流电路是利用二极管的单向导电作用 将交流电变成直流电的电路 限幅电路 限幅电路是限制输出信号幅度的电路 数字逻辑电路电路 解 a 当A端和B端均为的高电位时 DA DB都处于正向导通状态 输出3V 即为高电平 b 当A端为的低电位 B端为的高电位时 DA两端的电位差较DB大比优先导通 输出为0V 为低电平 c 当A端和B端均为的低电位时 都处于正向导通状态 输出为0V 即为低电平 例1 3 电路如图所示 它有两个输入端 A B 和一个输出端 L 令A B两端对应三组不同的输入电位值 a b c 试求L点对应的电位并分析输入输出的数字逻辑关系 检波电路 检波电路是把信号从已调波中检出来的电路 8 2 4特殊二极管 2 伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压 稳压管反向击穿后 电流变化很大 但其两端电压变化很小 利用此特性 稳压管在电路中可起稳压作用 U IZ UZ 曲线越陡 电压越稳定 稳压二极管 稳压二极管的参数 4 稳定电流IZ 最大 最小稳定电流Izmax Izmin 2 电压温度系数 U 3 动态电阻 1 稳定电压UZ 分散性 5 最大允许功耗 例1 4 设计一个稳压二极管的稳压电路 已知输入电压 要求负载电流 输出电压 解图1 16是一个简单的利用稳压二极管实现的稳压电路 因为要求输出电压 也就是说选用稳压二极管的稳压值为 假设从器件手册中查到该管的稳定电流 则因此 可以取标称值为的电阻 图示电路可以获得稳压值为的输出 发光二极管 光电二极管 光电耦合器 1 发光二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 2 光电二极管 光照增强时 外加反偏压作用下 反向电流增加 3 光电耦合器 如果把发光二极管和光电二极管组合构成二极管型光电耦合器件 8 3半导体三极管 三极管在模拟电子电路中其主要作用是构成放大电路 三极管的结构 结构 三个区 二个结 三个极 发射结 集电结 NPN型 NPN型 半导体三极管的类型 NPN 硅管多 3D系列 PNP 锗管多 3A系列 注意 三极管的符号短粗线代表基极 发射极的箭头方向 即发射极电流的实际方向 电流分配和放大原理 三极管放大条件 发射结正偏 集电结反偏 1 发射区发射电子形成IE2 基区复合电子形成IB3 集电区收集电子形成ICIE IB IC IC IBIE IB IC IB IB 1 IB三极管的电流放大作用的实质是以很小的IB控制较大的IC 8 3 3特性曲线 共射连接 1 输入特性曲线 UCE 0V 输入特性曲线 iB f vBE vCE const输出特性曲线 iC f vCE iB const 输出特性 定义 IB为常数 放大区条件 发射结正偏 集电结反偏 特点 IC IB IC仅由IB决定 截止区条件 两个PN结均反偏 特点是IB 0 IC ICEO 0 无放大作用 饱和区条件 两个PN结均正偏 特点 UCE 1V 有IB和IC 但IC IB IC已不受IB控制 无放大作用 例题 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 提示 据三极管三个区的特点判断 1 电流放大系数 共射 若IC ICEO则 交流放大系数用 表示 三极管的主要参数 2 3 1 5 IC Q 100 80 60 40 iB 20 A 若满足条件 ICEO很小时 可忽略 管子工作在线性区 共基 2 穿透电流ICEO 3 集电极最大允许电流ICM 4 集电极最大允许耗散功率PCM 5 反向击穿电压U BR CEO 1 3 5三极管的微变等效电路 1 分析的前提 小信号在小信号的作用下 工作在恒流区的三极管可以用一个如图 a 线性有源两端口网络来等效 小信号时近似为线性 输入端等效为电阻 输出端等效为恒流源 8 4场效应管 三极管称电流控制元件 场效应管称电压控制元件 场效应管具有输入电阻高 最高可达108 噪声低 热稳定性好 抗辐射能力强 耗电省等优点 8 4 1绝缘栅场效应管 1 结构与符号 2 伏安特性和主要参数 使场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压UGS th 称为开启电压 当UGS的负值达到某一数值UGS off 时 导电沟道消失 这一临界电压UGS off 称为夹断电压 场效应管的主要参数 增强型MOS管的开启电压UGS th 耗尽型MOS管的夹断电压UGS off 低频跨导 转移特性曲线 8 4 2结型场效应管 结构 2 工作原理使ID 0时的UGS反偏电压 称为该管的夹断电压 用UGS off 表示 管子的输入电阻就是反偏的P N