第4章半导体基本器件.ppt

1 主要内容 半导体的基本知识与PN结半导体二极管及其应用电路双极型三极管及其特性参数场效应管及其放大电路 2 对于元器件 重点放在特性 参数 技术指标和正确使用方法 不要过分追究其内部机理 讨论器件的目的在于应用 学会用工程观点分析问题 即根据实际情况 对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似 以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果 对电路进行分析计算时 只要能满足技术指标 就不要过分追究精确的数值 器件是非线性的 特性有分散性 RC的值有误差 工程上允许一定的误差 采用合理估算的方法 学习要求 3 4 1半导体的基本知识与PN结 物质的分类 绝缘体 1012 cm如 橡胶 陶瓷 塑料等 导体 电阻率 10 4 cm如 金 Au 银 Ag 铜 Cu 锡 Sn 导电性能介于导体与绝缘体之间 受温度 光照和掺杂程度影响极大 半导体 10 3 cm 109 cm 硅或锗 4 一 半导体的基本知识 纯净的 具有晶体结构的半导体 1 本征半导体 4个价电子 将四价元素硅或锗材料提纯并形成单晶体后 便形成共价键结构 共价键 5 本征激发 两种载流子 在半导体中有自由电子和空穴两种载流子 它们都能参与导电 因热运动产生自由电子空穴对的现象 本征半导体中由于载流子数量极少 导电能力很低 如果在其中参入微量的杂质 某种元素 将使其导电能力大大增强 且其导电性能由杂质的类型和掺杂的数量支配 而不再取决于温度 6 2 N型半导体和P型半导体 N型半导体在本征半导体中掺入5价原子如砷 As 磷 P P型半导体在本征半导体中掺入3价原子如硼 B 镓 Ga 电离产生自由电子 多余空穴 多数载流子 电子少数载流子 空穴 多数载流子 空穴少数载流子 电子 7 二 PN结 1 PN结的形成 在一块完整的硅片上 用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体 另一边形成P型半导体 在两种半导体交界面 离子薄层形成的空间电荷区称为PN结 扩散 由于载流子浓度差引起的载流子从浓度高的地方向浓度低的地方运动 漂移 在电场力的作用下 载流子发生的定向运动 内电场 动态平衡 8 PN结加正向电压时 PN结变窄 正向电流较大 正向电阻较小 PN结处于导通状态 2 PN结的单向导电性 PN结加反向电压时 PN结变宽 反向电流较小 反向电阻较大 PN结处于截止状态 结论 PN结具有单向导电性 9 4 2半导体二极管及其应用电路 将PN结加上相应的电极引线和管壳 就成为半导体二极管 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频路 一 电路符号与基本结构 电路符号 10 3 平面型二极管 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 11 反向特性 当加正向电压 且u VT时 VT称为死区电压 硅管 VT 0 5V 锗管 VT 0 1V 导通时的正向压降硅管 0 6 0 7V 锗管 0 2 0 3V 正向特性 1 正向特性 2 反向特性 电流很小 几乎为零 当u 0时 i Is 反向饱和电流 二 二极管伏安特性 12 当反向电压增大至U BR 时 反向电流将突然增大 这种现象称为击穿 二极管失去单向导电性 3 反向击穿特性 反向特性 13 三 主要参数 2 最高反向工作电压UDRM它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压 一般是反向击穿电压的一半或三分之二 1 最大整流电流IFM最大整流电流是指二极管长时间使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 3 最大反向电流IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值 14 四 二极管的电路模型 二极管是一种非线性器件 一般采用非线性电路的模型分析法 二极管导通后 硅管 uD 0 7V 锗管 uD 0 3V 相当于一理想开关 2 恒压降模型 1 理想模型 15 五 二极管应用电路 在电子技术中二极管电路得到广泛应用 基本电路有限幅电路 整流电路 钳位电路 开关电路等 1 整流电路 当us 0 D导通 uo vs 当us 0 D截止 uo 0 单向整流电路 16 2 限幅电路 二极管D1 D2用恒压降模型 UON 0 7V 当uS UON时 D1导通 D2截止 uo 0 7V 当uS UON时 D2导通 D1截止 uo 0 7V 当 uS UON时 D1 D2均截止 uo us 输出电压被限幅在 0 7V 称双向限幅电路 17 例4 1 在图中 输入电位UA 3V UB 0V 电阻R接负电源 12V 求输出端电位UO 因为UA高于UB 所以D1优先导通 设二极管的正向压降是0 3V 则UO 2 7V 当D1导通后 D2因反偏而截止 D1起钳位作用 将输出端电位钳制在 2 7V 解 18 六 特殊二极管 稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管 稳压管工作于反向击穿区 1 稳压管 稳压管反向击穿后 电流虽然在很大范围内变化 但稳压管两端的电压变化很小 利用这一特性 稳压管在电路中能起稳压作用 19 稳压管的主要参数 1 稳定电压UZ 4 稳定电流IZ 最大 最小稳定电流Izmax Izmin 3 动态电阻rZ 2 电压温度系数 U 5 最大允许耗散功率PZM 稳压值受温度变化影响的的系数 20 电阻的作用 起限流作用 以保护稳压管 当输入电压或负载电流变化时 通过该电阻上电压降的变化 取出误差信号以调节稳压管的工作电流 从而起到稳压作用 稳压二极管在工作时应反接 并串入一只电阻 21 正常稳压时UO UZ 稳压条件是什么 IZmin IZ IZmax 不加R可以吗 当Ui为正弦波 且幅值大于UZ UO的波形是怎样的 22 2 发光二极管 当电流流过时 发光二极管将发出光来 光的颜色由二极管材料 如砷化镓 磷化镓 决定 发光二极管通常用作显示器件 工作电流一般在几mA至几十mA之间 另一重要作用 将电信号变为光信号 通过光缆传输 然后用光电二极管接收 再现电信号 发光二极管的符号 23 3 光电二极管 a 光电二极管的符号 b 光电二极管的等效电路 光电二极管可将光信号转变为电信号 其特点是它的反向电流与照度成正比 24 4 3双极型三极管及其特性参数 三极管结构与工作原理三极管特性曲线及主要参数 25 一 双极型三极管 三极管的结构与符号电流分配与放大作用三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的其它形式 26 1 三极管的结构与符号 半导体三极管简称三极管 是由2个PN结构成的 其基本功能 具有电流放大作用 二氧化硅保护膜 铟球 铟球 27 按结构可分为 NPN型和PNP型 集电极 用C表示 集电区 掺杂浓度低 基极 用B表示 基区 薄 发射区 掺杂浓度高 发射结 集电结 面积比发射结大 发射极 用E表示 28 发射极的箭头代表发射极电流的实际方向 NPN型与PNP型三极管的工作原理相似 只是使用时所加电源的极性不同 29 三极管内部载流子的运动规律 30 用实验说明三极管的电流分配与放大作用 实验电路采用共发射极接法 NPN型管 为了使三极管具有放大作用 电源EB和EC的极性必须使发射结上加正向电压 正向偏置 集电结加反向电压 反向偏置 改变可变电阻RB 则基极电流IB 集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化 2 电流分配与放大作用 31 三极管电流测量数据 结论 1 符合KCL 且IC IE 2 IB对IC有控制作用 IB的改变控制了IC的变化 体现了三极管的电流控制作用 电流放大系数 32 NPN型三极管应满足 UBE 0UBCUB UE PNP型三极管应满足 UEB 0UCB 0即UC UB UE 三极管实现放大的外部条件 发射结加正向电压 集电结加反向电压 33 例4 2 在放大电路中测得4个三极管的各管脚对 地 电位如图所示 试判断各三极管的类型 是NPN型还是PNP型 是硅管还是锗管 并确定e b c三个电极 34 分析 1 工作于放大状态的三极管 发射结应正偏 集电结应反偏 因而NPN型有VC VB VE PNP型有VC VB VE 可见基极电位总是居中 据此可确定基极 2 硅管 UBE 0 6 0 8V 锗管 UBE 0 2 0 4V 则与基极电位相差此值的电极为发射极 并可判断是硅管还是锗管 3 余下一电极为集电极 4 集电极电位为最高的是NPN型管 集电极电位为最低的是PNP型管 35 c PNP型硅管 集电极 基极 发射极 a NPN型硅管 发射极 基极 集电极 d NPN型锗管 基极 集电极 发射极 b PNP型锗管 集电极 基极 发射极 36 输入特性曲线 iB和uBE之间的关系与二极管相似 三极管的输入特性也有一段死区 只有在发射结外加电压大于死区电压时 才会产生iB 3 三极管的特性曲线 37 输出特性曲线 1 放大区 对NPN型管而言 应使 UC UB UE IC IB 2 截止区 IB 0时 IC ICEO 很小 为了使三极管可靠截止 常使UBE 0 截止时集电结也处于反向偏置 UBC 0 此时 IC 0 38 3 饱和区 当UCE UCES0 三极管工作于饱和状态 在饱和区 IC和IB不成正比 当三极管饱和时 UCE 0 C E间如同一个开关的接通 当三极管截止时 IC 0 C E之间如同一个开关的断开 可见 三极管除了有放大作用外 还有开关作用 39 三极管结电压的典型值 40 例4 3 a b c d e f g h 测得电路中三极管3个电极的电位如图所示 问哪些管子工作于放大状态 哪些处于截止 饱和 倒置状态 哪些已损坏 41 a b c d a 发射结 集电结均反偏 管子截止 b 发射结反偏 集电结正偏 管子截止 c 发射结正偏 集电结反偏 管子放大 d 发射结 集电结均正偏 管子饱和 42 e 发射结正偏 集电结反偏 管子放大 f 发射结正偏 集电结反偏 管子放大 g 发射结偏 集电结均正偏 管子饱和 h VBE 2 7V 远大于发射结正偏时的电压 故管子已损坏 43 4 三极管的主要参数 1 电流放大系数 直流放大系数 交流放大系数 在输出特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下 可近似认为 44 2 极间反向电流 1 集 基极间反向饱和电流ICBO 其大小取决于温度和少数载流子的浓度 小功率锗管 ICBO 10 A 小功率硅管 ICBO 1 A 测量电路 2 集 射极间反向饱和 穿透 电流ICEO ICEO 1 ICBO ICEO大的管子性能不稳定 通常把ICEO作为判断管子质量的重要依据 当工作环境温度变化范围较大时应选硅管 45 3 极限参数 1 集电极最大允许电流ICM 当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流 称为集电极最大允许电流ICM 2 集 射反相击穿电压U BR CEO 表示三极管电极间承受反向电压的能力 当UCE U BR CEO时 ICEO 管子损坏 46 3 集电极最大允许功率损耗PCM PCM表示集电结上允许损耗功率的最大值 超过此值 集电结会过热烧毁 PCM iCuCE 对大功率管为了提高PCM 通常采用加散热装置的方法 47 5 三极管的其它形式 1 复合三极管 1 2 复合管的类型取决于T1管 48 2 光电三极管和光电耦合器 将光信号转变为电流信号 且可将光电流放大 倍 光电三极管 光电耦合器 实现电 光 电的传输和转换 49 4 4场效应管及其放大电路 绝缘栅型场效应管共源极放大器源极输出器 50 场效应管 FiedlEffectTransistor FET 是利用电场效应来控制的有源器件 它不仅兼有一般半导体管体积小 重量轻 耗电省 寿命长的特点 还具有输入电阻高 MOSFET最高可达1015 噪声系数低 热稳定性好 工作频率高 抗辐射能力强 制造工艺简单等优点 在近代大规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中得到广泛应用 按结构 场效应管可分两大类 结型场效应管 JFET 绝缘栅型场效应管 IGFET 51 绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为金属 铝 栅极和半导体之间绝缘层 又称金属 氧化物 半导体场效应管 简称MOSFET Metal Oxide SemiconductorFET MOSFET可分为增强型 N沟道 P沟道耗尽型 N沟道 P沟道 一 绝缘栅型场效应管 52 结构 1 结构 N沟道增强型MOSFET在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层 然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区 栅极G 源极S 漏极D 衬底B 1 N沟道增强型MOSFET 53 栅源电压vGS的控制作用 形成导电沟道 正电压vGS产生的反型层把漏 源连接起来 形成宽度均匀的导电N沟道 自由电子是沟道内的主要载流子 反型层刚形成时 对应的栅源电压vGS称为开启电压 用VT表示 2 工作原理 原理1 54 漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用 vGS VT 加vDS 形成iD 且iD与vDS基本成正比 因vDS形成电位差 使导电沟道为梯形 vDS增大至vGD vGS vDS VT 沟道被预夹断 漏端 管子进入饱和区 原理2 55 沟道预夹断后 vDS继续增大 夹断点向源极方向移动 iD略有增大 vGS变化时 vGS VT 没有导电沟道 iD 0 vGS VT时开始形成导电沟道 vGS VT时 导电沟道变宽 从