§14 半导体元件.doc

电子技术教案 14 半导体元件 14-1514 半导体元件 本章主要讨论半导体的导电特性，半导体二级管、稳压管、三极管以及光电元件。14.1 半导体的导电特性半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的物质。如硅、锗、大多数金属氧化物。半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性。一、本征半导体完全纯净的半导体。通过特殊工艺，可形成晶体结构。以四价元素硅为例。本征激发产生自由电子-空穴对。加上电压后，由自由电子和空穴的定向运动形成电流。故自由电子和空穴统称为载流子。二、杂质半导体参入少量杂质的半导体。1、P型半导体以四价元素硅参入三价元素硼为例。参杂后产生负离子-空穴对。P形半导体中，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。加上电压后，主要由空穴的定向运动形成电流。由于负离子带负电，空穴带正电，故不加电压时，P形半导体是不带电的。2、N型半导体以四价元素硅参入五价元素磷为例。参杂后产生正离子-自由电子对。N形半导体中，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。加上电压后，主要由自由电子的定向运动形成电流。由于正离子带正电，自由电子负带电，故不加电压时，N形半导体也不带电。14.2 半导体二极管一、PN结P、N型半导体的交界面或交界点。 加正向电压 加反向电压 加正向电压时，多数载流子定向运动，故正向电流很大。加反向电压时，少数载流子定向运动，故反向电流很小。 即PN结具有单向导电性。二、半导体二极管1、结构PN结加上外壳和电极引线，就构成半导体二极管。有两种基本结构：点接触型，用于高频小电流；面接触型，用于低频大电流。2、图形符号和文字符号3、单向导电性4、伏安特性死区电压：硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。正向导通电压：硅管0.60.7V，锗管0.20.3V。反向击穿电压：随二极管型号不同而异。5、主要参数最大整流电流IOM：长期使用时，允许通过的正向电流平均值。反向工作峰值电压URWM：常取反向击穿电压的一半或三分之二。反向峰值电流IRM：加反向工作峰值电压时的反向电流。越小越好。例1 电路和输入电压波形如图。忽略二极管的正向压降，试分别画出uo、uR和uD的波形。解 uo、uR和uD的波形如图。14.3 稳压二极管 是一种特殊的二极管。可利用其反向特性实现稳压。一、图形符号和文字符号二、伏安特性三、主要参数1、稳定电压UZ正常工作时管子两端的反向电压，即反向击穿电压。2、稳定电流IZ反向电压为UZ时的反向电流。3、最大允许耗散功率PZM不致使管子发生热击穿的最大功耗。4、最大稳定电流IZM不致使管子发生热击穿的最大反向电流。5、电压温度系数U反映UZ受温度影响的系数。例如，2CW18稳压管的温度系数为0.095%,表示温度增加1，UZ升高0.095%。一般：UZ6V，U0；UZ6V，U0；UZ=6V，U=0。6、动态电阻rz反向击穿区，UZ与IZ之比。即越小，稳压性能越好。例 有两个稳压管DZ1和DZ2，稳定电压分别为5.5V和8.5V，正向压降均为0.5V。今要分别获得0.5V、3V、6V、9V和14V几种稳定电压，这两个稳压管（还有限流电阻）应如何联结？试画出各个电路。解14.4 半导体三极管（晶体管）一、基本结构和图形符号 1、三个区发射区（E区）、集电区（C区）、基区（B区）掺杂浓度不同：E区浓，C区次之，B区浓度最低几何尺寸不同：E、C区厚，B区薄2、两个结发射结（E结）、集电结（C结）3、三个电极发射极E，集电极C、基极B二、电流分配和放大原理1、实验观察改变RB，可得到不同的IB、IC和IE，如下表：IB/mA00.020.040.060.080.10IC/ mA0.0010.701.502.303.103.95IE/ mA0.0010.721.542.363.184.05由上表可得出如下结论：A电流分配满足基尔霍夫电流定律，即B具有电流放大作用因为IC跟随IB变化，且，CIB=0时，IC很小D具有放大作用的条件是：发射结正向偏置，集电极反向偏置2、理论分析 晶体管内部自由电子和空穴的运动规律AIE的形成发射区向基区扩散电子，EC通过发射极提供电子，形成IE。BIB的形成发射区扩散到基区的电子少部分与基区的空穴复合，使EB通过基极向基区提供空穴（拉走电子），形成IB。CIC的形成发射区扩散到基区的电子大部分进入集电区，EC则通过集电极收集电子，形成IC。D放大原理由于EB通过基极向基区提供少量空穴，EC则通过集电极收集大量电子。故，即具有电流放大作用。三、特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线之分。1、输入特性曲线UCE=常数，IB随UBE变化的曲线。即 当时，不同UCE时的输入特性曲线重合。故手册上通常给出的是UCE=2V时的输出特性曲线。与二极管伏安特性一样。死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。导通电压：硅管0.60.7V，锗管0.20.3V。2、输出特性曲线IB=常数，IC与UCE的关系曲线。即可分为三个区域A. 截止区此时IC0,C、E极之间相当于一个断开的开关。截止条件：发射极反向偏置，集电极反向偏置。B. 饱和区在该区域中，由于UCE太小，IC不再随IB的增大而增大。饱和条件：发射极正向偏置，集电极正向偏置。C放大区IC随IB的增大而增大，且，具有电流放大作用。放大条件：发射极正向偏置，集电极反向偏置。四、主要参数1、电流放大系数静态（直流）电流放大系数动态（交流）电流放大系数一般不严格区分，通用。2、集-射极反向截止电流ICB0越小越好。小功率锗管约几微安到几十微安。小功率硅管在1微安以下。3、穿透电流ICE0越小越好。与ICB0的关系为 4、极限参数A集电极最大允许电流ICM超过此值，值将严重下降。通常把值下降到正常值的2/3时的集电极电流定为ICM。B集-射极击穿电压U(BR)CE0基极开路时，加在C、E极的最大允许电压。C集电结最大耗散功率PCM超过此值，会使结温太高，从而使晶体管参数变化。极限参数确定晶体管的安全工作区。例1 在图示电路中，已知UCC=12V，VI=3V，晶体管的=50，UBE=0.6V。试判断RB分别为24k和5.1 k时，晶体管工作于什么状态。解 集电极饱和电流为所需的基极电流为当RB=24k时故晶体管工作于放大状态。当RB=5.1k时故晶体管工作于饱和状态。例2 测得某电子电路三个三极管的各极电位如图(a)