第五章常用半导体器件学习教案

1、会计学1第五章常用第五章常用(chn yn)半导体器件半导体器件第一页，共37页。PN结反向偏置：结反向偏置：P接负极接负极(fj)，N接正极接正极耗尽层变宽形耗尽层变宽形成成(xngchng)很小反向饱和很小反向饱和电流电流PN结截止结截止总结：总结： PN结正偏导通结正偏导通 PN结反偏截止结反偏截止反向饱和反向饱和电流由电流由少少数载流子数载流子形成形成第1页/共37页第二页，共37页。 在PN结上加上引线和封装，就成为一个(y )二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图所示。(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频(bin p

2、n)等高频电路。(a)点接触型 二极管的结构示意图第2页/共37页第三页，共37页。二极管的结构示意图(c)平面型(3) 平面平面(pngmin)型二极管型二极管 往往(wngwng)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。(2) 面接触面接触(jich)型二极管型二极管(b)面接触型 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。第3页/共37页第四页，共37页。D第4页/共37页第五页，共37页。) 1e (TSUuIi端电压温度的电压当量反向饱和电流电流开启电压正向特性为指数曲线反向电流为常量Uon1 1正向特性正向特性UonUon：死区的开启电压：死区的开启电压

3、(diny)(diny)，硅管的，硅管的UonUon约为约为0.5V0.5V，锗，锗管的管的UonUon约为约为0.2V0.2V。正向导通电压正向导通电压(diny)(diny)：硅管为：硅管为0.7V0.7V，锗管为，锗管为0.2V0.2V2 2反向特性：内外电场方向反向特性：内外电场方向(fngxing)(fngxing)相同，阻碍扩散运动相同，阻碍扩散运动，有利于漂移运动，有利于漂移运动UBR:UBR:反向击穿电压反向击穿电压第5页/共37页第六页，共37页。T（）在电流不变情况在电流不变情况下管压降下管压降u 反向反向(fn xin)饱和电流饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移

4、，正向特性左移，反向反向(fn xin)特性下移特性下移UonU(BR) 温度每升高10C，正向压降减小22.5mV；温度每升高100C，反向(fn xin)电流约增大一倍。第6页/共37页第七页，共37页。三二极管的主要参数三二极管的主要参数1.最大整流最大整流(zhngli)电流电流IOM：2.最大反向最大反向(fn xin)工工作电压作电压URM ：3.反向反向(fn xin)电流电流IR：反向：反向(fn xin)饱和电流饱和电流二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值电流的平均值。 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压

5、值称为反向击穿电压VBR。 为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。4.正向压降正向压降UF：在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约；锗二极管约0.20.3V。第7页/共37页第八页，共37页。ui0.7Vil恒压降：正向时恒压降：正向时UD=0.7导通，反向导通，反向(fn xin)时截止时截止uii分析方法：分析方法：1 、选择参考电位；、选择参考电位；2 、假设、假设D截止；截止； 3、进一

6、步判断、进一步判断D上正负极电位上正负极电位 第8页/共37页第九页，共37页。uitT/2TuOtT/2Tui0，ui=uoui0 u0=0uiuo理想理想(lxing)二极管二极管理想理想(lxing)二极管分析二极管分析第9页/共37页第十页，共37页。DR+ui-+uo2-i5V+ uR -ouo25Vui502iRiuuuuD截止Vui5Vu502D导通t/sui/Vo10-10理想理想(lxing)二极管二极管第10页/共37页第十一页，共37页。求求I1， I2 IO UO因US1 US2故二极管导通故二极管导通UO=15VIO=15/3=5mAI2=(15-12)/1=3mAI

7、1= I2 + IO=8mA15VUS1US2RUORL3K1KI2I1IO+-12V-+第11页/共37页第十二页，共37页。故故D2止止D1D2R6V12V+-+-U0而而D1通通00UVV612求求 UO第12页/共37页第十三页，共37页。例例1：例例2：第13页/共37页第十四页，共37页。利用PN结反向击穿时电流在较大范围内变化而端电压基本不变而制成特殊(tsh)二极管。(利用二极管反向特性)稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性 符号第14页/共37页第十五页，共37页。l稳定电流稳定电流IZ：维持：维持(wich)稳定电压的工作电流（稳定电压的工作电流（IZmin IZmax ）l额

8、定功耗额定功耗PZ ：PZ为稳压管允许的最大平均功率，有的手册给出为稳压管允许的最大平均功率，有的手册给出最大稳定电流最大稳定电流IZM，两者之间的关系为，两者之间的关系为PZ=IZMUZ。稳压管的功耗。稳压管的功耗超过超过PZ或工作电流超过或工作电流超过IZM，稳压管将因热击穿而损坏。，稳压管将因热击穿而损坏。第15页/共37页第十六页，共37页。ZLR+=IIIOZIRIR=UUUUUI R稳压稳压(wn y)过程过程UIUOUZIZIRURUOIL ILIRURUZ（UO）IZIRURUO限流电阻限流电阻(dinz) 第16页/共37页第十七页，共37页。DZIRIZRLR+UI-+UO

9、-+UZ-LI+-RU (1) (1)因为因为IZIZ不应小于不应小于IZminIZmin，由此可计算出稳压电阻，由此可计算出稳压电阻(dinz)(dinz)的最大值，实际选用的稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻(dinz)(dinz)应小于最大值。即应小于最大值。即LZminZmax=IIUURImaxminRRRmaxminZLzIIIRUUminmaxZLZIIIRUU (2) (2) 因为因为(yn wi)IZ(yn wi)IZ不应超过不应超过IZmaxIZmax，由此可计算出稳压电阻的，由此可计算出稳压电阻的最小值。即最小值。即LZmaxZImin=IIUURP P9797 例5.

10、3第17页/共37页第十八页，共37页。-uD/VC/ pFO3090604812 16 20C -U 特性曲线符号第18页/共37页第十九页，共37页。(a)(b)-50E=200lx400lxi/uAu/V图6.3.3 光电二极管(a)符号(b)特性曲线第19页/共37页第二十页，共37页。发光发光(f un)二极管是由砷化镓、磷化镓等材料制成的一种器件。当它二极管是由砷化镓、磷化镓等材料制成的一种器件。当它通以电流时，将发出光来，发光通以电流时，将发出光来，发光(f un)亮度取决于电流的大小，电流亮度取决于电流的大小，电流越大，亮度越强。越大，亮度越强。 符号符号(fho) 第20页/

11、共37页第二十一页，共37页。当输入电压当输入电压(diny)Ui从从24V变化到变化到28V时，求流过稳压管的电时，求流过稳压管的电流流IZ+Ui - -1K12V+UO- -当当Ui=24V时时IZ=（24-12）/1=12mA当当Ui=28V时时IZ=（28-12）/1=16mA因因Ui12V故稳压管正常故稳压管正常(zhngchng)工作工作故电流故电流(dinli)IZ变化范围（变化范围（1216）mA第21页/共37页第二十二页，共37页。DZIRIZRLR+UI-+UO-+UZ-LI+-RU （1 1）如上图所示，已知）如上图所示，已知UZ=6V,IZmin=5mA, IZmax

12、=25mA, UI=10 UZ=6V,IZmin=5mA, IZmax=25mA, UI=10 V,RL=600,V,RL=600,求限流电阻求限流电阻R R的取值范围的取值范围（2 2）若已知）若已知UI=30V,PZM=250mW, UZ=6V,R=1K,UI=30V,PZM=250mW, UZ=6V,R=1K,试判断当试判断当RL=RL=无穷大，无穷大，1K1K，100100时，时，DZDZ是否是否(sh fu)(sh fu)稳压稳压第22页/共37页第二十三页，共37页。 简写为BJT又称半导体三极管，双极型晶体三极管，简称晶体管或三极管。 它是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的

13、半导体器件，由于两个PN结之间的相互作用，使BJT表现(bioxin)出不同于单个PN结的特性，而具有电流放大、电流控制的作用。 发射区：发射结Je、发射极e集电区：集电结JC、集电极c基区：基极b结构:三个区，三个电极，两个PN结第23页/共37页第二十四页，共37页。 为使三极管具有电流(dinli)放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即： （1）发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。 （2）基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。 （3）集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。 由此可

14、见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替；在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用。（三极管具有电流(dinli)放大的内部条件） 当三极管处于放大状态时，能将输入的小电流当三极管处于放大状态时，能将输入的小电流(dinli)(dinli)放大为输出的大电流放大为输出的大电流(dinli)(dinli)。下面以。下面以NPNNPN型三极管为例型三极管为例来分析其放大原理来分析其放大原理. .第24页/共37页第二十五页，共37页。发射区向基区注入发射区向基区注入(zh r)(zh r)电子：由于发射结正偏，载流子的运动电子：由于发射结正偏，载流子的运动以多子的扩散运动为主，

15、发射区的多子（电子）不断通过发射结扩散以多子的扩散运动为主，发射区的多子（电子）不断通过发射结扩散到基区，基区的多子（空穴）也通过发射结扩散到发射区，这两种多到基区，基区的多子（空穴）也通过发射结扩散到发射区，这两种多子的扩散运动形成的扩散电流即发射极电流子的扩散运动形成的扩散电流即发射极电流IEIE。 电子在基区扩散和复合：到达基电子在基区扩散和复合：到达基区的大量电子只有很小的一部分和区的大量电子只有很小的一部分和基区的多子基区的多子空穴复合（因基区空穴复合（因基区掺杂浓度掺杂浓度(nngd)(nngd)很小，空穴也很很小，空穴也很小，因此扩散到基区的电子和空穴小，因此扩散到基区的电子和空

16、穴的复合运动形成很小的基极电流的复合运动形成很小的基极电流IBnIBn）。）。 第25页/共37页第二十六页，共37页。集电区收集电子：由于集集电区收集电子：由于集电结反偏，有利于少子电结反偏，有利于少子电子的漂移运动，扩散到基电子的漂移运动，扩散到基区而未能和空穴复合的电子区而未能和空穴复合的电子数量数量(shling)(shling)又较大，受又较大，受集电极高电势的吸引（漂移集电极高电势的吸引（漂移运动），很容易越过薄薄的运动），很容易越过薄薄的基区和集电结到达集电区，基区和集电结到达集电区，形成集电极电流形成集电极电流ICnICn。 与此同时。由于集电结反向偏置，基区本身的少子（电子）

17、与集电区与此同时。由于集电结反向偏置，基区本身的少子（电子）与集电区的少子（空穴）将在结电场的作用的少子（空穴）将在结电场的作用(zuyng)(zuyng)下形成漂移电流，即反下形成漂移电流，即反向饱和电流向饱和电流ICBO,ICBO,三极管内部有两种载流子参与导电，故称为双极型三极管内部有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管晶体管则三极管三个电极则三极管三个电极(dinj)(dinj)电流电流:IB=IBn-ICBO , :IB=IBn-ICBO , IC=ICn+ICBOIC=ICn+ICBO IE=ICn+IBn=IBn- IE=ICn+IBn=IBn-ICBO+ICn+ICBO=IB

18、+ICICBO+ICn+ICBO=IB+IC第26页/共37页第二十七页，共37页。放大电路因此，该回路称为共射共端发射极为两个回路的公路：所在回路称为输出回路：所在回路称为输入回在上图所示电路中CIIB在近似分析在近似分析(fnx)(fnx)中可以认为中可以认为 两个值相等两个值相等系数共发射极直流电流放大,BCII系数共发射极交流电流放大常数,CEUBCii三极管的电流放大作用反映在用较小的基极电流三极管的电流放大作用反映在用较小的基极电流iBiB来控制较大来控制较大的并以相同的并以相同(xin tn)(xin tn)的规律变化的集电极电流的规律变化的集电极电流iC iC 。 第27页/共

19、37页第二十八页，共37页。符号意义： 交流值（交流瞬时值）直流）总瞬时值（交流有效值（总有效值）直流电流值bBbBiiII第28页/共37页第二十九页，共37页。反映反映(fnyng)三极管各极电压和电流之间的相互关系的曲线。三极管各极电压和电流之间的相互关系的曲线。ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验电路实验电路(共发射极接法共发射极接法)CBERC三、三极管的共射特性(txng)曲线第29页/共37页第三十页，共37页。1.1.输入特性输入特性(txng)(txng)曲线：曲线：UCEUCE为常数时，为常数时，IB IB 与与UBEUBE的关系的关系(gun x)(gun

20、x)曲线（同曲线（同二极管）二极管）IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电压死区电压(diny)，硅，硅管管0.5V工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.7V左右左右常数CEUBEBufI第30页/共37页第三十一页，共37页。指基极电流指基极电流IB一定一定(ydng)时，集电极电流时，集电极电流IC与与UCE之间的之间的关系曲线。关系曲线。常数CEUBCii三个工作区域：放大区、三个工作区域：放大区、截止区、饱和区截止区、饱和区开关特性数字电路模拟(mn)电路常数BICECUfI从输出特性曲线可以划分为三个区从输出特性曲线可以划分为三个区下面就对它的三

21、个工作区进行分析下面就对它的三个工作区进行分析第31页/共37页第三十二页，共37页。晶体管的三个工作(gngzu)区域：截止区：发射结和集电结均反偏截止区：发射结和集电结均反偏，即：，即：IB 0IB 0，而，而IC0IC0。在近似。在近似分析分析(fnx)(fnx)时认为晶体管截止。时认为晶体管截止。 放大区：发射结正偏，且放大区：发射结正偏，且 uBE uBE Uon Uon，集电结反偏。对于共，集电结反偏。对于共射电路，射电路，UBEUBE Uon Uon， UCE UBE UCE UBE。此时，。此时，ICIC几乎仅仅决定几乎仅仅决定(judng)(judng)于于IB IB 而几乎

22、与而几乎与UCEUCE无关。表现出无关。表现出IBIB对对ICIC的控制作用的控制作用。 饱 和 区 ：饱 和 区 ：发射结与集电结均正偏发射结与集电结均正偏。在饱和区内，不满足IC和IB之间的关系。一般称UCE=UBE时三极管的工作状态为临界饱和状态。饱和时的UCE称为饱和管压降，记作UCES第32页/共37页第三十三页，共37页。三极管三种三极管三种(sn zhn)(sn zhn)工作状态的特点工作状态的特点: :(2) (2) 饱和饱和(boh)(boh)状态状态 BE BE结正偏，结正偏，BCBC结正偏结正偏 ，即，即UCEUCEUBE UBE ，（，（UCEUCEUBEUBE称为临界

23、饱和称为临界饱和(boh)(boh)） IC IC与与IBIB不成比例，不成比例，UCEUCE0.3V ,C0.3V ,C、E E电极间相当于短路。电极间相当于短路。(3) (3) 截止状态截止状态 BE BE结反偏，结反偏， BC BC结反偏，（或结反偏，（或 UBE UBE1V1V。第33页/共37页第三十四页，共37页。结论：对于结论：对于NPNNPN管而言：管而言：UEUBUEUB且且UCUBUCUB时，处于时，处于(chy)(chy)截止状态截止状态UBUEUBUE且且UCUBUCUB时，处于时，处于(chy)(chy)放大状态放大状态UBUEUBUE且且UBUCUBUC时，处于时，处于(chy)(chy)饱和状态饱和状态对于对于PNPPNP管而言：管而言：U E U BU E U B 且且 U C U BU C U B 时 ， 处 于 截 止 状 态时 ， 处 于 截 止 状 态(zhungti)(zhungti)U B U EU B U E 且且 U C U BU C U B 时 ， 处 于 放 大 状 态时 ， 处 于 放 大 状 态(zhungti)(z