第7章半导体器件分解.ppt

第7章半导体器件,本章要求：1.理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；2.了解二极管、稳压管和三极管的工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；3.会分析二极管和三极管的电路。,学会用工程分析方法，就是根据实际情况，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。1.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。2.元器件本身是非线性的，具有分散性，元器件的值有误差，工程上允许一定的误差。,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。,7.1半导体的基本知识,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：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）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,常用的半导体材料：硅Si(Silicon)和锗Ge(Germanium)均为四价元素，原子最外层有4个价电子。,一、本征半导体（纯净半导体）,这种纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,本征半导体的导电性：,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,温度(T)一定时，载流子数量一定。当T时，载流子数量。,(3)价电子依次填补空穴，进而产生了电子电流和空穴电流。,(2)在室温下受热激发时，,(1)在绝对零度(T=0K)时不导电，相当于绝缘体；,产生电子空穴对；,半导体中有两种载流子：电子和空穴这就是半导体导电的重要特点。,自由电子,空穴,半导体的导电性能受温度影响很大。,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,共价键,二、杂质半导体,-N型半导体和P型半导体,掺入微量的五价元素：磷P(或锑),1.N型半导体:,在室温下就可以激发成自由电子,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,共价键,掺入微量的三价元素：硼B(或铝),2.P型半导体:,受主原子,空位吸引邻近原子的价电子填充。,二、杂质半导体,综上所述：,(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。其中电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。(3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,练习题：,一、基本结构,7.2半导体二极管,按材料分：硅(Si)管和锗(Ge)管；,按工艺分：点接触型和面接触型；,符号：,(Diode),按用途分：整流管、稳压管、开关管等。,型号：,2AP15,例如2CZ10,2CW18等。,半导体二极管实物图片,二、伏安特性,反向击穿电压UB,导通管压降UD,死区电压UT,另外,伏安特性与温度T有关，当T时,UT,UB,IR。,iD=0,UT=0.5V(硅管),0.1V(锗管),UUT,iD急剧上升,0UUT,UD=0.7V(硅管),0.3V(锗管),UUB,反向电流急剧增大,二极管被反向击穿,正向特性：,反向特性：,二极管具有单向导电特性,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）大于死区电压时，二极管处于导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。导通时管压降：硅0.7V；锗0.3V,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。当反向电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。,问题：如何判断二极管的好坏及其正负极性？,三、应用:,若忽略管压降，则为理想二极管:正向导通时，二极管相当于短路;反向截止时，二极管相当于开路。,广泛地应用于整流、检波、限幅与削波、钳位与隔离、元件保护以及开关电路中。,“开关特性”,问题：如何判断二极管是导通还是截止？,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。,理想二极管：若V阳V阴或UD0（正向偏置），二极管导通；若V阳V阴或UDV阴，二极管导通。,若不是理想二极管，则二极管为Ge管时,UAB为6.3；二极管为Si管时,UAB为6.7V。,解：,两个二极管的阴极接在一起(即共阴极)，此时阳极与阴极电位差大者，优先导通。,(b),在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。,解：,D2优先导通,电压UAB=0V,设B点为电位参考点，则,电位V1阳=6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=12V,阳极与阴极的电位差UD1=6V，UD2=12V,D2导通后,V1阴=0V,D1承受反向电压，D1截止。,二极管共阴极接法，阳极电位高的优先导通；二极管共阳极接法，阴极电位低的优先导通。,ui8V时，二极管导通，D可看作短路uo=8Vui8V时，二极管截止，D可看作开路uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出uo波形。,8V,例2：,二极管阴极电位为8V,D起限幅(或削波)作用。,若D反向放置,uo波形如何？,若R与D对调,uo波形又如何？,正负对称限幅电路:,已知ui=5sint(V)，二极管导通电压UD0.7V。试画出ui与uo波形，并标出幅值。,例3：,反向特性曲线很陡,7.3稳压二极管,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,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，稳压管在电路中实现稳压作用。,阴极,阳极,1.符号：,正向特性与普通二极管相同,3.主要参数,(1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(3)动态电阻,(2)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM,(4)最大允许耗散功率PZM=UZIZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,UZ,U,I,UZ,例在下图中，通过稳压二极管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？,+20V,R=1.6k,UZ=12VIZM=18mA,解：,=5mA,IZIZM,电阻值合适。,7.4半导体三极管,一、基本结构,(1)NPN型,符号：,(2)PNP型,符号：,很薄且掺杂浓度最低,掺杂浓度最高,结构特点：,掺杂浓度次之,这些结构特点是它具有电流放大作用的内在条件。,二、电流放大原理,发射结正偏、集电结反偏,(2)对PNP型三极管发射结正偏VBVB,即VCVBVE集电极电位最高,即VEVBVC发射极电位最高,共射极放大电路,1.三极管放大的外部条件,UBE=0.3V,0.7V,UBE=-0.3V,-0.7V,2.各极电流关系及电流放大作用,1）三电极电流关系IE=IB+IC2）ICIB，ICIE3）ICIB,基极电流的微小变化IB能够引起较大的集电极电流变化IC,这就是三极管的电流放大作用。,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共射放大电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,三、特性曲线,1.输入特性,特点:非线性,正常工作时发射结电压：NPN型硅管，UBE0.7VPNP型锗管，UBE0.3V,2.输出特性,IB=0,20A,输出特性曲线通常分三个工作区：,2.输出特性,IB=0,20A,放大区,(1)放大区,在放大区有IC=IB，称为线性区，具有恒流特性。,发射结正偏、集电结反偏，晶体管工作于放大状态。,（2）截止区,IB=0以下区域，有IC0。,发射结、集电结均反偏，晶体管工作在截止状态。,（3）饱和区,当UCEUBE时，晶体管工作在饱和状态。ICIB发射结、集电结均正偏。深度饱和时，硅管UCES0.3V，锗管UCES0.1V。,饱和区,截止区,UCES,四、主要参数,1.电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成共射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值近似。,常用晶体管的值在20200之间。,2.集-基极反向饱和电流ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBO,3.集-射极穿透电流ICEO,ICEO受温度的影响大。温度ICEO，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,5.集-射极反向击穿电压UCEO(BR),IC超过一定值时，其值要下降。,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25C、基极开路时的击穿电压UCEO(BR)。,6.集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。PCPCM=ICUCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,过损耗区,过流区,反向击穿区,工作在放大状态，利用IB对IC的控制作用。,1.用于交流放大电路中,IC=ICEO0，c、e之间相当于断路，三极管相当于一个开关处于断开状态。,UCES0，c、e之间相当于短路，三极管相当于一个开关处于接通状态。,2.用于数字电路中,工作在截止或饱和状态，利用其开关特性。,截止时：,饱和时：,“开”,“关”,五、半导体三极管应用,三极管型号的含义,(2)用字母表示三极管的材料与类型。如A表示PNP型锗管，B表示NPN型锗管，C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。,(3)由字母组成，表示器件类型，即表明管子的功能。如:X表示低频小功率管，G表示高频小功率管，D表示低频大功率管，A表示高频大功率管。,三极管的型号一般由五部分组成,如3AX31A、3DG12B、3CG14G等。下面以3DG12B为例说明各部分的含义。,(1)用数字表示电极数目。“3”代表三极管。,(4)用数字表示三极管的序号。,(5)由字母组成,表示三极管的规格号。,常见三极管的外形结构,实物照片,练习题,1写出三极管的三种工作状态，并说明在三种状态下发射结、集电结的偏置状况。,2在电路中测得各三极管的三个电极对地电位如下图所示，其中NPN型为硅管，PNP型为锗管，判断各三极管的工作状态。,截止,放大,饱和,3今测得放大电路中一个三极管的各极对地电位分别为-1V，-1.3V，-6V，试判别三极管的三个电极，并说明是硅管还是锗管，是NPN型还是PNP型。,4已知放大