半导体器件基础.ppt

1、电子技术（模拟电子部分,内容提要,半导体器件是组成各种电子电路包括模拟电路和数字电路，集成电路和分立元件电路的基础。本章首先介绍半导体的特性，半导体中载流子的运动，阐明PN结的单向导电性，然后介绍半导体二极管、稳压管、半导体三极管及场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。,第6章二极管与直流稳压电源,掌握器件要领10字令： 功能、结构、原理、曲线、参数,第6章 目录,6.1 半导体的基本知识 6.2 晶体二极管 6.3 二极管应用电路 6.4 特殊二极管 6.5 直流稳压电源,半导体的特性,1、定义 导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称半导体。 如：硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）以及

2、大多数金属氧化物和硫化物,2、特性,1. 温度导电能力可做成各种热敏元件,2. 受光照导电能力可做成各种光电器件,3. 掺入微量杂质导电能力（几十万几百万倍）可制做半导体器件。如半导体二极管、三极管、场效应及晶闸管等。,6.1半导体的基本知识,6.1.1 本征半导体,纯净的半导体，单晶结构，排列整齐 称为本征半导体。它是共价键结构。,在常温下自由电子和空穴的形成,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,成对出现,成对消失,自由电子和空穴称为载流子,载流子导电规律,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,在外电场作用下，电子和空穴均能参与导

3、电。这是半导体导电与导体导电最本质的区别。,价电子填补空穴,注意,本征半导体中载流子的浓度除与半导体材料本身的性质有关外，还与温度和光密切相关。半导体材料性能对温度的这种敏感性，既可用来制造热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。,6.1.2 杂质半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1 、N 型半导体,自由电子,通过扩散工艺，在本征半导体中掺入微量特定元素，便可形成杂质半导体。,在纯净的硅或锗晶体中掺入微量五价元素（如磷）所形成的杂质半导体称N型半导体。,N型半导体结构示意图,在N型半导中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,2、P型半导体,+4,+4,+4,

4、+4,+4,+4,+4,在纯净的硅或锗的晶体中掺入微量的三价元素（如硼）所形成的杂质半导体称P 型半导体。,+4,P型半导体结构示意图,在P型半导中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,注意,不论是N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的，呈电中性。通过掺入杂质来提高半导体的导电能力不是最终目的，因为导体的导电能力更强。杂质半导体的奇妙之处在于，掺入不同的性质、不同浓度的杂质，并使P型和N型半导体采用不同的方式结合，可以制造出用途各异的半导体器件。,P 区,N 区,1、PN 结的形成扩散、漂移,采用不同的掺杂工艺，在同一块半导体单晶上形成 P型半导

5、体和N型半导体，在它们的交界面处就形成了一个PN 结。（描述动态平衡过程）,空间电荷区,6.1.3 PN结及其单向导电性,漂移,内电场方向,2、PN 结的单向导电性,内电场方向,R,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷,扩散运动增强，形 成较大的正向电流，此时PN结导通,（1）、外加正向电压（正向偏置）,P 区,N 区,内电场方向,R,（2） 外加反向电压（反向偏置）,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流，此时PN结截止,多数载流子的扩散运动难于进行,结论,当PN结

6、正向偏置时，IF较大，PN结处于导通状态； 当PN结反向偏置时，反向电流IR0， PN结截止； 单向导电性 3. 反向电流IR是由少数载流子产生的，对温度非常敏感,1、点接触型二极管,6.2.1 晶体二极管的结构、符号和类型,PN结的结面积小，不能通过较大的电流，但其结电容较小（一般在1pF以下），工作频率可高达100MHZ以上，因此适用于高频检波和小功率的高频整流电路。,1） 结构,2）特点,6.2 半导体二极管,2、面接触型二极管,1.）结构,2）特点,PN结的结面积大，能够通过较大的电流，但其结电容大，因此只能在较低的频率下工作，一般仅用于整流电路,3、平面型二极管,1.）结构,2）特点

7、,PN结结面积大的可用于大功率整流，结面积小的可作为脉冲数字电路中的开关管。,4、按材料划分二极管,5、符号,D,硅管：面接触型一般为硅管,锗管：点接触型一般为锗管,第1章,上页,下页,返回,6. 二极管的伏安特性与等效电路,硅管的伏安特性,反向特性,死区,IS,正向特性,UBR,Uon,iD=f（uD）,+ uD ,D,1）伏安特性,死区电压（开启电压） Uon,Si 管：0.5V左右 Ge管：0.1V左右,正向电压,Si 管：0.6V0.8V（0.7V） Ge管：0.2V0.3V (0.2V),注意,二极管的伏安特性受温度的影响。如当环境温度升高时，二极管的正向特性曲线左移，反向特性曲线下

8、移。,二极管方程,UT：温度的电压当量。常温下，即T=300K（270C）时，UT=26mV。,在反向段：当| uD | UT时，iD IS,2）电路模型,能够模拟二极管特性的电路称二极管电路模型，也称二极管的等效电路。,二极管的大信号模型,a.理想二极管(导通时正向压降为零,截止时反向电流为零)的等效模型,b.二极管导通时正向压降为一常量UT，截止时反向电流为零的二极管的等效模型,c.二极管导通且正向压降uD大于UT后其电流iD与uD成线性关系（直线斜率为1/rD），截止时反向电流为零的等效模型,以上三个等效电路中1的误差最大，3的误差最小，一般情况下多采用2所示的等效电路。,二极管的小信号

9、模型（微变等效电路）,二极管外加直流正向电压时，将有一电流，则反映在其伏安特性曲线上的点为Q（Q点称为静态工作点）。,若在Q点基础上外加微小的变化量，则可用以Q点为切点的直线来近似微小变化时的曲线，即可将二极管等效成一个线性器件，用动态电阻rD来表示，且rD=uD/ iD。,uD,iD,0,ID,UD,Q,6.2.2 晶体二极管的主要参数,1.最大整流电流IOM：是二极管长期运行时允许通过的 最大正向电流。,2. 最高反向工作电压URM：二极管工作时允许外加的 最大反向电压。,器件的参数是其各方面性能的定量描述，它是设计、分析电路，选择器件的主要依据。各种器件的参数可由手册查得。,注意,二极管

10、的正向平均电流不得超过此值，否则可能使管子过热而烧坏。,注意,二极管的反向电压不得超过此值，否则二极管可能因过压被击穿。,3. 反向电流IRM：二极管未击穿时的反向电流。它愈小，二极管的单向导电性愈好。由于反向电流是由少数载流子形成的，所以其受温度的影响很大。,4.最高工作频率fM：二极管工作的上限频率。,在实际应用中，应根据管子所用场合，按其承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件选择满足要求的二极管。,二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、函数发生器、波形整形、元件保护（限幅、钳位、隔离）以及在数字电路中作为开关元件。,6.3 二极管应用电路,6.3.1 开关电路

11、 【例1】下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，求输出端Y的电位，并说明每个二极管的作用。,解： DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后，DB因反偏而截止，起隔离作用，DA起钳位作用，将Y端的电位钳制在+2.7V（方法 1假设A或B不导通2假设AB不导通，则通过R的电流为零无电压则AB都导通）,2.7V,3V,0V,6.3.2 限幅电路 【例2】下图是二极管限幅电路，D为理想二极管， E= 3V ，ui = 6 sin t V，试画出 uo及uD的波形 。,2,ui3V时，D截止， IR = 0 ， uO= ui uD = uO3V,ui3V时，D导通，

12、uD= 0 ， uO=3V,解：,6.4.1 稳压二极管 稳压管实质上是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它工作于反向击穿区，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，所以这段特性可以用来稳压，因而广泛用于稳压电源与限幅电路。,商品化稳压管的稳定电压数值范围很宽，可以从2200V，其额定功率从几瓦 数十瓦。,6.4 特殊二极管,稳压管按其击穿方式分为齐纳击穿和雪崩击穿。前者掺杂浓度高，稳压值低（小于4V）；而后者掺杂浓度低，稳压值高（大于7V）。,1、 稳压管的伏安特性,IZ/mA,UZ/V,0,UZ,IZmin,IZmax,伏安特性,2、 稳压管的主要参数,1）稳定电压UZ： 是在规定电流下稳压管

13、的反向击穿电压。UZ具有一定的离散性。,2） 稳定电流 IZ： 保证管子进入反向击穿区的电流。IZ=IZmin IZmax只要不超过管子的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。,3）最大允许耗散功率PZM：PZM=UZIZmax,通过上式可求出Izmax。稳压管的功耗超过PZM时，会因结温升高而烧坏。,由上式可看出，rZ愈小，管子的稳压性能愈好。,上式表明为温度每变化10C稳压值的变化量。稳定电压小于4V的管子具有负温度系数，即温度升高时UZ下降；稳定电压大于7V的管子具有正温度系数，即温度升高时UZ上升；而稳定电压介于47V之间的管子温度系数非常小，近似为零。,3、 稳压管稳压电路,1）电路,关

14、于电路组成的说明：,2）稳压原理,Ui或RL Uo (UZ )IZ IR UR ,（1）DZ与RL并联,（2）DZ反偏,（3）Ui Uz,（4）合适的R,3）限流电阻的选择,IzminIZ IZmax,当Ui最大，而IL最小时，IZ最大：,当Ui最小，而IL最大时，IZ最小：,【例1】在稳压管稳压电路中，已知Ui=12V且变化范围20% ， UZ=5V，IZ=5mA，PZmax=360mw，IL=05mA，求限流电阻R,解：由已知条件得：Uimin=9.6V，Uimax=14.4V，,IZmin=IZ=5mA，,IZmax=PZmax/UZ=360/5=72mA,则,在上例中，若Ui=24V，

15、UZ=12V，IL=010mA，其它参数不变，则0.31K R 0.30K 。很显然这样的电阻没有，即工程上不合理，此时应重新选择管子。,6.5 直流稳压电源,6.5.1 单相桥式整流电路,6.5.2 滤波电路,6.5.3 串联型稳压电路,概述,半导体直流电源的原理方框图,电源变压器,整流电路,滤波电路,稳压电路,uo,uF,uR,u2,u1,第6章,t,t,t,t,t,0,0,0,0,0,6.5.1 单相半波整流电路,2. 工作原理,u 正半周，VaVb， 二极管D导通；,3. 工作波形,u 负半周，Va Vb， 二极管D 截止 。,1. 电路结构,4. 参数计算,(1) 整流电压平均值 U

16、o,(2) 整流电流平均值 Io,(3) 流过每管电流平均值 ID,(4) 每管承受的最高反向电压 UDRM,(5) 变压器副边电流有效值 I,5. 整流二极管的选择,平均电流 ID 与最高反向电压 UDRM 是选择整流二极管的主要依据。,选管时应满足： IOM ID ， URWM UDRM,例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220 V，负载电阻 RL = 50，负载电压Uo=100V， 试求变压器的变比和容量，并选择二极管。,I = 1.11 Io= 2 1.11 = 2. 2 A,变压器副边电流有效值,变压器容量 S = U I = 122 2.2 = 207. 8 V A,变压

17、器副边电压 U 122 V,可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。,u1在正半周时： D1、D3导通，D2、D4截止,6.5.2 单相桥式整流电路,第6章,u1在负半周时： D2、D4导通，D1、D3截止,0,0,负载上得到的脉动电压：,整流电压的平均值,整流电流的平均值,二极管承受的最高 反向电压:,UDRM=?,UDRM=2U2,U0,第6章,t,= 0.9U2,0,二极管承受的最高反向电压：,第6章,变压器二次侧的电流：,i2,=,(1/0.9)1.11,IL,例1：,试分析图示桥式整流电路中的二极管D2 或D4 断开时负载电压的波形。如果D2 或D

18、4 接反，后果如何？如果D2 或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？,解：当D2或D4断开后 电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压， uo =0。,6.5.3 滤波电路,1.电容滤波,单相半波整流滤波电路,第6章,RL=,RL0,u2正半周上升段，D导通，C充电. u0 跟随 u2变化,u2正半周下降段的开始，D仍导通，u0跟随 u2变化。C继续充电,u2继续下降，u2uC ,D截止，C放电， u0按指数函数衰减,直到 u2上升到 u0 ，D再次导通，进入下一周期,0,0,0,输出电压与负

19、载的关系,0.9U2,电容滤波,无电容滤波,为了得到较为平直的输出电压：,一般要求：RLC(35)T/2,T交流电源的周期,U0 =,U2 (半波）,1.2U2 (全波）,第6章,(桥式整流),t,u0,0,0,L滤波,RC滤波,LC滤波,型滤波,第6章,其他形式的滤波电路,1 稳压管稳压电路,2. 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,RL(IO) IR ,设UI一定，负载RL变化, UO (UZ ) , IZ,1. 电路,限流调压,稳压电路,6.5.4 稳压电路,3. 参数的选择,(1) UZ = UO (2) IZM= (1.5 3) ICM (3) UI = (2 3)

20、UO,(4),为保证稳压 管安全工作,为保证稳压 管正常工作,适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。,3.恒压源,由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源。,反相输入恒压源,改变 RF 即可调节恒压源的输出电压。,4 串联型稳压电路,基准电压,取样环节,（1.）串联型稳压电路的工作原理,放大环节,调整环节,稳压原理：,U0,UBE2,IB2,IC2,UCE2,U0,UCE1,Ic1,IB1,UBE1,第6章,UO = Ui - UCE1,（2.）串联型稳压电路其它形式,思考 题：,1.为了稳压,调整管应处于什么状态?,2.最大输出电压U0max=?,第6章,3. 集成稳压电路

21、,输出电压固定式两种稳压器：,CW7800系列（输出正电压）CW7900系列（输出负电压）,CW7800系列稳压器的外形管脚。,输出电压有：5v、6V 、 8V、 12V 、15V、 18V、 24V。,1,2,3,第6章,集成稳压器的几种应用,1. 提高输出电压,2. 正负电压同时输出,第6章,设：,=10，,R = 0.5，,I2 = 1A,则：,Ic=4A,思考题：,图示电路中U0=？,4. 扩大输出电流,第6章,I0=I2+IC=5A。,CW117和 CW137系列稳压器,输出电压可调的基本电路,第6章,第6章,030V连续可调稳压电源,作业：6.2.3，6.2.5，6.2.8,6.3

22、 晶体三极管（双极型晶体管）2.3.1 三极管的结构、符号和类型,一、分类,按结构划分,NPN型,按材料划分,硅管,按功率划分,大功率管,按频率划分,高频管,按用途划分,放大管,PNP型,锗管,小功率管,低频管,开关管,二、NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极C,基极B,发射极E,2.符号,1.结构,三、PNP型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极C,发射极E,基极B,1.结构,2.符号,三极管的三种接法,共发射极接法,共集电极接法,共基极接法,不同的接法具有不同的电路特性，但管子的工作原理都是相同的。,2.3.2 晶体三极管的电流分配及放大作用,以N

23、PN管共发射极接法为例，来说明电流放大的概念。,一、电流放大的概念,VCCVBB,调节RB，观察IB、IC及IE的变化。,结论,（2）IC、IE比IB大得多,（3）IB很小的变化可因起IC很大的变化，即IC受IB控制这就是三极管的电流控制作用,（1）IE=IC+IB,二、管内载流子的运动,IE,IB,IC,N,P,N,VCC,RC,VBB,RB,ICBO,综上所述，三极管具有电流控制作用的外部条件 :,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足: UBE 0 UBC VB VE,对于PNP型三极管应满足: UEB 0 UCB 0 即 VC VB VE,2.3.3

24、三极管的伏安特性与等效电路,一、三极管的输入特性,三极管的特性曲线是其各极电压和电流之间关系的曲线。从使用三极管的角度来说，了解其特性曲线比了解其内部载流子运动显得更为重要。,UCE 1V时，在相同的UBE下，IB大大减小，曲线右移，但UCE大于一定值后，曲线几乎重合。,由上述分析可知：三极管输入特性也有一段死区。在正常工作下，NPN型硅管UBE=0.60.8V；PNP型锗管UBE= 0.2 0.3V。,二、三极管的输出特性,IC,IB,饱和区:发射结、集电结均正向偏置。,截止区:发射结、集电结均反向偏置。,放大区:发射结正向偏置；集电结反向偏置。,见P103例5.4,2.3.4 晶体三极管的

25、主要参数,一、直流参数,1.共射直流电流放大系数,2.共基直流电流放大系数,(1) ICBO发射极开路时集电结的反向饱和电流,3.极间反向电流,一般小功率硅管ICBO为nA级，而锗管为几A几十A。,(2) ICEO基极开路时集电结与发射结间的反向饱和电流,ICEO=（1+ ）ICBO,ICBO、ICEO受稳度的影响很大，实际工作中其值愈小，性能愈稳定。,60A,0,20A,1.5,2.3,设UCE=6V， IB由40A加为60A 。,IC / mA,UCE /V,IB =40A,6,二、交流参数,2.共基交流电流放大系数,1.共射交流电流放大系数,3.特征频率fT, =g（ f ）,使 数值下

26、降到 1 的信号频率称为特征频率。,三、极限参数,1. 集电极最大允许电流 ICM,2. 集射极反向击穿电压 U(BR)CEO,3. 集电极最大允许耗散功率 PCM =UCEIC,0,IB= 0 A,20A,40 A,60 A,80 A,PCM曲线,IC / mA,UCE /V,ICEO,2.4 场效应管(单极型三极管),三极管电流控制器件，输入电阻很低！场效应管电压控制器件，输入电阻很高，可达1071012，控制方便。因为仅有一种极性的载流子(多数载流子)参与导电，所以又称单极型三极管。,场效应管的类型,按其结构,绝缘栅型,结型,按其工作原理,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,

27、2.4.1 结型场效应管(耗尽型),一、结构和符号（以N沟道为例）,两个PN结夹着一个N沟道。三个电极： G：栅极 D：漏极 S：源极,符号：,N沟道 P沟道,二、工作原理,1. 栅源电压对沟道的控制作用,在栅、源间加负电压VGG，令UDS =0,(2)当UGS时，PN结反偏，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,(3)当UGS增加到一定值时 ，沟道完全合拢夹断,使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压VGS 夹断电压UGS(off)(Up) 。,(1)当UGS=0时，无反偏，导电沟道最宽,2.漏源电压对沟道的控制作用,(1)当VDD=0时， ID=0。,(2) VDDID 靠近漏极处的耗尽层加宽，

28、沟道变窄，呈楔形分布。,(3)当VDD ，使UGD=UG S UDS=UGS(off)时，在靠漏极处 夹断预夹断。,预夹断前: VDDID 。 预夹断后: VDDID 几乎不变。,(4)VDD再，预夹断点下移。,在漏源间加电压VDD ，令UGS =0 由于UGS =0，所以导电沟道最宽。,3.特性曲线,（1）输出特性曲线： ID=f（ UDS ）UGS=常数,饱和区： ID /UGS 常数= gm gm 低频跨导,夹断区,四个区：,可变电阻区：预夹断前。,饱和区（恒流区）：预夹断后。,击穿区。,夹断区（截止区）。,即： ID = gm UGS 放大原理,（2）转移特性曲线： ID=f（ UGS ）UDS=常数,UGS（off）,饱和漏极电流IDSS,（UGS（off）UGS0）,UDS =10V,2.4.2 绝缘栅场效应管(MOS管),符号,1. 结构和符号,一、增强型绝缘栅场效应管（以N沟道为例）,2. 工作原理,结构示意图,耗尽层,S,G,D,UDS,ID = 0,D与S之间是