模拟与数字电子技术半导体器件课件

1、模拟与数字电子技术半导体器件模拟与数字电子技术半导体器件 第二章 半导体器件 第一节 半导体二极管（二）本征半导体没有杂质、而且晶体结构完整的半导体，称为本征半导体（纯净半导体）。价电子硅原子空穴复合1硅和锗晶体的共价键结构2. 半导体中的两种载流子自由电子和空穴 牛牛文库文档分享 第二章 半导体器件 第一节 半第二章 半导体器件第一节 半导体二极管 在本征半导体中，两种载流子成对出现，成对消失，形成动态平衡。因此整个原子是电中性的。温度对载流子的影响很大，温度升高时，载流子的数量增加。自由电子带负电荷，空穴带正电荷。自由电子和空穴都是载运电流的粒子，统称为载流子。 半导体的导电特点：在半导体

2、中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管 在本第二章 半导体器件第一节 半导体二极管（三）杂质半导体在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素(称杂质)，可以使半导体的导电性能发生显著的改变。掺入杂质的半导体称作杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同。可分为两种： N型半导体：掺杂五价元素P型半导体：掺杂三价元素 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管（三）杂质半导体第二章 半导体器件第一节 半导体二极管1N型半导体在本征半导体中掺入少量的五价磷元素，使每一个五价元素

3、取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。五价磷电子空穴对自由电子数多于空穴数 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管1N型半导体五第二章 半导体器件第一节 半导体二极管2P型半导体在本征半导体中掺入少量三价元素，可以形成P型半导体，常用于掺杂的三价元素有硼、铝和铟。三价硼电子空穴对空穴数多于自由电子数 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管2P型半导体三第二章 半导体器件第一节 半导体二极管在N型半导体中，自由电子数大于空穴数， 自由电子-多数载流子(多子)。 空穴-少数载流子(少子)。在P型半导体中，空穴数大于自由电子数， 空穴-多子。 自由电子-

4、少子。不论N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管在N型半导体中，第二章 半导体器件第一节 半导体二极管二、P N结 1、PN结的形成内建电场多子扩散(1)内建电场对多数载流子的扩散运动起到阻碍作用；(2)内建电场可推动少数载流子越过空间电荷区向对方漂移。 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管二、P N结内建第二章 半导体器件第一节 半导体二极管2PN结单向导电特性外加反向电压PN结反向截止外加电场内电场I0少子漂移 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管2PN结单

5、向导第二章 半导体器件第一节 半导体二极管外加正向电压PN结正向导通外加电场内电场I多子扩散 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管外加正向电压 PN结的单向导电性第二章 半导体器件第一节 半导体二极管结论： 利用PN结的单向导电性，可以制成半导体二极管及各种半导体元件(1)PN结正偏：PN结导通空间电荷区变窄电阻有利于多子扩散电流(2)PN结反偏：PN结截止电阻有利于少子漂移电流空间电荷区变宽 牛牛文库文档分享 PN结的单向导电性第二章 半导体器件第一节 半导体第二章 半导体器件第一节 半导体二极管三、半导体二极管 二极管通常有点接触型和面接触型两种阳极A阴极KVPNAK点接

6、触型面接触型 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管三、半导体二极管第二章 半导体器件第一节 半导体二极管 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管www.niuw 二极管的管压降与其电流的关系 曲线，称为二极管的伏安特性曲线第二章 半导体器件第一节 半导体二极管1二极管的伏安特性硅管锗管 牛牛文库文档分享 二极管的管压降与其电流的关系 曲第二章 半导体器件第一节 半导体二极管a点Uonb点I=ISRexp(U/UT)-1c点线性区d点二极管管压降UBR 死区电压 硅管约0.5V锗管约0.1V非线性区 硅管为0.60.8V；锗管为0.10.3V截止区反向击穿电压反

7、向饱和电流 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管a点Uonb点I第二章 半导体器件第一节 半导体二极管2二极管的主要参数1) 最大整流电流 IFM指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。当电流超过允许值时，将由于PN结的过热，而使二极管损坏。2) 反向电流IR 指在一定环境温度条件下，二极管承受反向工作电压、又没有反向击穿时，其反向电流的值。它的值愈小，表明二极管的单向导电特性愈好。温度对反向电流影响较大，经验值是，温度每升高10，反向电流约增大一倍。使用时应加注意。3) 反向工作峰值电压URM指管子运行时允许承受的最大反向电压。通常取反向击穿电压的二分之一至三分之二

8、。 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管2二极管的主要第二章 半导体器件第一节 半导体二极管3二极管的近似特性和理想特性由二极管的伏安特性曲线可见，由于二极管正向导通时电压变化很小，而反向截止时，电流很小。对于所分析的电路来说，将它们忽略时，产生的误差很小。故通常可用理想二极管的特性代替二极管的伏安特性。近似特性0IU0IU理想特性UD 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管3二极管的近似第二章 半导体器件第一节 半导体二极管近似特性：（当电源电压与二极管导通时正向电压降相差不多时） 二极管的电压小于导通正向电压时，二极管截止，电流为0； 二极管导通后，正向电

9、压降恒为UD。理想特性：（当电源电压远大于正向电压降时） 加正向电压时，二极管导通，正向电压降和正向电阻为0，（二极管相当于短路） 加反向电压时，二极管截止，反向电流为0，反向电阻无穷大。（二极管相当于开路） 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管近似特性：（当电第二章 半导体器件第一节 半导体二极管0t0tEEt1t2时,二极管截止,（0t1与t2以后）时,二极管导通,（t1t2）22限幅电路 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管0t0tEEt1 例2-2 图2-12a中的R和C构成一微分电路。当输入电压ui如图1-12b中所示时，试画出输出电压uo的波形。

10、设uC(0)=0。 第二章 半导体器件第一节 半导体二极管 牛牛文库文档分享 例2-2 图2-12a中的R和C构成一微分电路。当输入第二章 半导体器件第一节 半导体二极管22二极管正向压降是0.3V 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管22二极管正向压第二章 半导体器件第一节 半导体二极管四、特殊二极管 1. 稳压二极管 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管四、特殊二极管 第二章 半导体器件第一节 半导体二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。 IZminIZmax锗稳压管特性

11、曲线硅稳压管特性曲线VSKA 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管稳压二极管是一种第二章 半导体器件第一节 半导体二极管稳压管的主要参数有下面几个：1）稳定电压UZ 稳压管在正常工作下两端的电压。2）电压温度系数 说明稳压管受温度变化影响的参数。 例如电压温度系数为0.095%/，则表示温度每升高1，它的稳压值将比额定温度时升高0.095%。 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管稳压管的主要参数第二章 半导体器件第一节 半导体二极管3）动态电阻rZ 稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。4）稳定电流IZ 稳压管正常工作时的参考电流。5）最大允许耗散功

12、率PZM 稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZM。即稳压管的额定功耗。 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管3）动态电阻rZ第二章 半导体器件第一节 半导体二极管当Ui=+20V时，VS1反向击穿，其稳压值UZ1=6.3V，VS2正向导通，UD2=0.7V，则Uo=+7V；同理Ui=-20V时,Uo=-7VVS1VS2 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管当Ui=+20V第二章 半导体器件第一节 半导体二极管 2、发光二极管 下图为发光二极管发射电路通过光缆驱动光电二极管电路。 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管 2、发光第

13、二章 半导体器件第一节 半导体二极管 牛牛文库文档分享第二章 半导体器件第一节 半导体二极管www.niuw第一章 半导体器件第二节 半导体三极管 半导体三极管(简称晶体管或三极管)是最重要的一种半导体器件。它的放大作用和开关作用促使电子技术飞跃发展。晶体管的特性是通过特性曲线和工作参数来分析研究的。为了更好地理解和熟悉管子的外部特性，本节首先简单介绍管子内部的结构和载流子的运动规律。 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管 半导体三极管(简第一章 半导体器件第二节 半导体三极管 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管www.niuwk第一章 半导体器件第二节

14、半导体三极管一、基本结构双极型半导体器件晶体三极管的结构，目前最常见的有平面型和合金型两类(图2-19)。硅管主要是平面型，锗管都是合金型。平面型合金型 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管一、基本结构双第一章 半导体器件第二节 半导体三极管晶体三极管分为NPN型和PNP型两类。 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管晶体三极管分为NP第一章 半导体器件第二节 半导体三极管二、电流放大原理晶体管必须满足一定的偏置条件，才能有电流放大作用。图2-21电路是以NPN型硅三极管接成共射形式（基极回路和集电极回路以发射极作为公共端）的示意图。由图可见，晶体管的外部偏置

15、条件是：电压源UBB通过电阻RB提供给发射结正向偏置；而电压源UCC通过电阻RC加到集电极，使集电结处于反向偏置。 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管二、电流放大原理由第一章 半导体器件第二节 半导体三极管 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管www.niuwk第一章 半导体器件第二节 半导体三极管NPN三极管电流方向及各电流的关系ICICEICBOIBIBEIE共射电流放大系数 表示晶体管的电流放大作用。（共射形式） 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管NPN三极管电流方第一章 半导体器件第二节 半导体三极管结论晶体管有电流放大作用。晶

16、体管的发射结正偏，集电结反偏时，晶体管为电流控制器件（基极电流控制集电极电流）参加导电的有自由电子和空穴，故又叫双极型晶体三极管NPNPNPNPN型与PNP型晶体管电流电压的参考方向 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管结论晶体管有电流放第一章 半导体器件第二节 半导体三极管三、晶体管的伏安特性曲线1输入伏安特性曲线（NPN）定义硅管 晶体管输入特性与二极管的正向特性一样，也有一段死区。只有在发射结外加电压大于死区电压时，晶体管才会出现 。硅管的死区电压约为锗管的死区电压约为 晶体管导通后，其发射结电压变化范围很小锗管 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管三

17、、晶体管的伏安特第一章 半导体器件第二节 半导体三极管2输出特性曲线定义(1) 截止区外部特征：三极管相当于开路。外部（偏置）条件：发射结反向偏置，集电结反向偏置。(2) 饱和区饱和区截止区外部特征：三极管相当于短路。外部（偏置）条件：发射结正向偏置，集电结正向偏置。 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管2输出特性曲线定第一章 半导体器件第二节 半导体三极管（3）放大区饱和区 放大区 截止区 恒流特性 外部（偏置）条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。外部特征： 电流恒定 电流放大电流控制246iB大iC也大，iB等于0iC也等于0iB控制iC电压在很大范围内变化，电流几乎不

18、变 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管（3）放大区饱和区第一章 半导体器件第二节 半导体三极管四、主要参数1电流放大系数衡量晶体管电流放大能力的重要指标直流 ： 交流 ： 在数值上2反向电流 晶体管的极间反向电流是少数载流子反向漂移形成的，因此，受温度影响比较严重，是反映管子质量的指标，极间反向电流越小，管子质量越高。（1）集电极基极间反向饱和电流 (2) 集电极-发射极间穿透电流 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管四、主要参数1电第一章 半导体器件第二节 半导体三极管3极限参数 (3)集电极最大允许耗散功率PCM (1)集电极最大允许电流ICM(2)集

19、电极发射极反向击穿电压BU(BR)CEO 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管3极限参数 (3晶体管电极的判别PNP 第一章 半导体器件第二节 半导体三极管NPN1数字式万用表量程置于欧姆档时,“+”端红表笔输出电压的极性为正极,而“-”端黑表笔输出电压的极性为负极。指针式万用表的电压极性与之相反。 2基极可以视为发射结和集电结两个PN结的公共电极。以基极固定于某一测试表笔，而将另一表笔分别和另两个电极相连。当测得电阻阻值很低时，表示两个结均被加上正向电压，反之，被加上反向电压。 3三极管处于放大状态的值，远比处于倒置（C、E极互换）状态的值大。测量要点 牛牛文库文档分享晶体

20、管电极的判别PNP 第一章 半导体器件第二节 半导第一章 半导体器件第二节 半导体三极管 1. 确定基极：将红表笔和黑表笔先后固定到三极管的某条引腿。若(指针式表用1k档，数字式表用测二极管挡)测得该腿和另两条腿之间有低欧姆电阻，则该引腿即为基极，如果连基极的表笔为黑色（指针式表为红色），则该管为PNP管，若为红色（指针式表为黑色），则该管为NPN管。测量步骤 2. 确定集电极和发射极：对NPN管，将红、黑表笔分别和待判别的两个电极相连接，在红表笔（指针式表为黑表笔）所连电极和已判明的基极之间接个10k左右的电阻，意味着加一偏流，观察电表指示欧姆值的大小，在调换表笔的两次测量中，加偏流后电表指

21、示欧姆值小，则意味着此种连接情况下的值大，红表笔（指针式表为黑表笔）所接电极为集电极。对PNP管，方法与上述相似，只是偏流电阻接于黑表笔（指针式表为红表笔）所接电极和已判明的基极引腿之间。 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第二节 半导体三极管 第一章 半导体器件第三节 晶闸管一、基本结构阴极K门极（控制极）G结构示意图符号 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第三节 晶闸管一、基本结构阴极K第一章 半导体器件第三节 晶闸管二、工作原理(1)A、K之间 加反向电压，门极开路J2正偏， J1、 J3反偏，V1不导通，晶闸管处于截止状态(2)A、K之间 加正向电压，门极开路UAKUAKJ1、 J3正

22、偏， J2反偏，V1不导通，晶闸管处于截止状态 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第三节 晶闸管二、工作原理(1)第一章 半导体器件第三节 晶闸管IG21IG1IGIB1J1、 J2 、J3均正偏， V1 、V2导通 如此循环，形成正反馈，使V1、 V2很快达到饱和导通，此过程时间很短，只有几微秒，晶闸管迅速导通。导通后，A、K间压降很小，电压全部加在负载上。晶闸管中流过的电流与负载电流相同。UGKIG=IB1V1放大IC1=1IB1=1IG= IB2V2放大IC2=2IB2=21IG=IB1（4）控制极的作用 晶闸管导通后，由于前面正反馈的作用，即使UGK0仍能保持继续导通，因此，门极仅仅是

23、触发晶闸管使其导通，导通之后，门极就失去控制作用。 一般门极采用脉冲信号触发信号。（3）A、K之间 加正向电压， G、K之间加正向电压 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第三节 晶闸管IG21IG第一章 半导体器件第三节 晶闸管（5）晶闸管的关断2. 使阳极电流iA小于维持电流IH，即iA IH ，晶闸管将截止。1. A、K极之间加反向电压，令uAK 0，晶闸管则处于截止状态结论：晶闸管导通条件：1. 阳极A和阴极K之间加正向电压2. 控制极G和阴极K之间加正向电压3. 阳极电流大于擎住电流可见晶闸管是一个可控的导电开关；它与二极管相比，不同之处是其正向导通受控制极电流控制。晶闸管关断条件：1. A、K极之间加反向电压；2. iA 0特性ABCD正向转折电压维持电流擎住电流反向击穿电压 牛牛文库文档分享第一章 半导体器件第三节 晶闸管三、伏安特性 导通第一章 半导体器件第三节 晶闸管四、主要参数 在控制极开路、元件额定结温、晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压(允许每秒重复50次，每次持续时间不大于10ms)，此电压为正