电工学半导体器件.ppt

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1、电工电子技术,学会用工程观点分析问题，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。,对于元器件，学习重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不过于追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,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。工程上允许一定的误差，可采用合理估算的方法。,第14章 半导体器件,14.3 二极管,14.4 稳压二极管,14.5 双极型晶体管,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,14.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性：,掺杂性：

2、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、晶体管和晶闸管等）。,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、光敏晶体管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,14.1.1 本征半导体,完全纯净的、晶格完整的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价键结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后, 即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子(带负电), 同时共价键中留下一个空位，称为

3、空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下, 空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。,空穴,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流： (1) 自由电子作定向运动 电子电流 (2) 价电子递补空穴 空穴电流,注意： (1) 本征半导体中的载流子数目极少,其导电性能很差; (2) 温度愈高，载流子的数目愈多, 半导体的导电性 能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。 自由电

4、子和空穴成对地产生的同时, 又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中的载流子便维持一定的数目。,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质 (某种元素) , 形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为N 型半导体。,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P 型半导体。,掺

5、入三价元素,在P 型半导体中空穴是多数载流子, 自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,14.2 PN结及其单向导电性,14.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,空间电荷区也称 PN 结。,扩散和漂移这 一对相反的运动 最终达到动态平 衡，空间电荷区 的厚度固定不变。,形成空间电荷区,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,14.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压 (正向偏置),P接正、N接负,内电场被削弱，多子

6、的扩散加强,形成较大的扩散电流。,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。,PN 结变窄,IF,2. PN 结加反向电压 (反向偏置),P接负、N接正,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压 (反向偏置),内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少,形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增大。,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。,14.3 二极管,14.3.1 基本结构,(a) 点接触型,结面积小、结电容小、 正向电流小，适用于高频和 小功率工作，也用作数

7、字电 路中的开关元件。,结面积大、结电容大、正向电流大，适用于低频整流电路。,(b) 面接触型,14.3 二极管,(c) 平面型,14.3.1 基本结构,用于集成电路制作工艺中。 PN 结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(d) 符号,14.3.2 伏安特性,硅管0.5V锗管0.1V,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压，二极管导通。,外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,死区电压,反向电流在 一定电压范围 内保持常数。,二极管正向导通电路,二极管反向截止电路,14.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM

8、,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3. 反向峰值电流IRM,指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压(正向偏置，阳极接正、阴极接负)时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压(反

9、向偏置，阳极接负、阴极接正 )时, 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,分析方法：将二极管断开。,若 V阳 V阴，则二极管导通； 若 V阳 V阴，则二极管截止。,实际二极管应考虑其正向压降 (硅管0.60.7V， 锗管0.20.3V)。 理想二极管正向压降为零，反向截止。,二极管的应用广泛。根据二极管的单向导电性，它可用于整流、检波、限幅、元件保护及在数字电路中作为开关元件等。,使用注意,二极管的应用,uI 8V，二极管导通，可看作短路， uO =

10、8V uI 8V，二极管截止，可看作开路， uO = ui,例1：已知： , 二极管是理想的，试画出 uO 波形。,8V,解：二极管阴极电位为 8 V。,参考点,二极管的应用举例,1. 二极管的限幅作用,该电路为正限幅电路,2. 二极管的检波作用,解：,解：二极管起检波作用，除去正尖脉冲。,+,-,VA VB, DA优先导通， 使VY= 3V。,VB VY ，DB截止， 将VB与VY隔离。,3. 二极管的箝位和隔离作用,例3：图示电路中，输入端VA=+3V, VB= 0V，试求输出端 Y 的电位 VY 。,DA 起箝位作用。,DB 起隔离作用。,14.4 稳压二极管,1. 符号和外形图,UZ,

11、IZ,IZM,UZ,IZ,2. 伏安特性,使用时要加限流电阻,O,稳定电压UZ,最大电流,工作电流,稳压二极管正常工作时加反向电压。,稳压二极管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,稳压二极管,稳压二极管稳压电路,解 (1) Ui10 V 时 DZ 反向击穿稳压：UO = UZ = 5 V 。 (2) Ui = 3 V 时 DZ 反向截止：UO= Ui = 3 V 。 (3) Ui =5 V 时 DZ 正向导通：UO= 0 V 。 (4) ui = 10sin t V 时 当 0ui5 V 时，DZ 反向截止： UO= Ui = 10sin

12、t V。 当 ui5 V 时，DZ 反向击穿稳压：,例 如图所示电路，设 UZ = 5 V，正向压降 忽略不计。当直流输入Ui = 10 V、3 V、5 V 时，Uo= ？ 当输入为交流 ui = 10sin t V 时，分析 uO的波形。,UO = UZ = 5 V 。 当 ui0 V 时， DZ 正向导通：UO= 0 V。,3. 主要参数,(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,(2) 电压温度系数 u 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(1) 稳定电压UZ 稳压二极

13、管正常工作 (反向击穿) 时管子两端的电压。,14.5 双极型晶体管,14.5.1 基本结构,常见晶体管的外形图,14. 5. 2 电流分配和放大原理,1. 晶体管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,晶体管电流放大的实验电路 ,设 UCC= 6V，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，测量结果如下表所示。,2. 各电极电流关系及电流放大作用,晶体管电流测量数据,结论:,(1) IE = IB + IC ，符合基尔霍夫

14、定律 (2) IC IB ， IC IE (3) IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大 变化的特性称为晶体管的电流放大作用。,实质: 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流 的变化，是CCCS器件。,(a) NPN 型晶体管；,电流方向和发射结与集电结的极性,(4) 要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。,(b) PNP 型晶体管,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区： 面积最大,3.晶体管内部载流子的运动规律,发射结正偏, 发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P 区的电子少部分与基区的

15、空穴复合，形成电流IBE, 多数扩散到集电结。,扩散到集电结边缘的电子在电场作用下以漂移进越过集电结，被集电区收集，形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,3. 晶体管内部载流子的运动规律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE ICBO IBE,ICE与IBE 之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流, 温度ICEO,(常用公式),若IB = 0, 则 IC ICEO,14.5.3 特性曲线,晶体管特性曲线即晶体管各电极电压与电流的关系曲线，是晶体管内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能,是分析放大电路的依据。,研究特

16、性曲线的目的： (1) 直观地分析管子的工作状态。 (2) 合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路。,发射极是输入回路、输出回路的公共端。,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,1. 输入特性,特点:非线性,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE (0.6 0.7) V PNP型锗管 UBE (0.2 0.3)V,3DG100晶体管的 输入特性曲线,死区电压：硅管0.5V 锗管0.1V,2. 输出特性,共发射极电路,3DG100晶体管的输出特性曲线,在不同的 IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管 的输出特性曲线是一组曲线。,2. 输出特性,晶体管有三种工作状态

17、，因而输出特性曲线分为三个工作区。,3DG100晶体管的输出特性曲线,(1) 放大区,对 NPN 型管： UBE 约为 0.7V， UCE UBE。,发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置， 晶体管工作于放大状态。 IC = IB ,具有恒流特性。,(2),截止区,IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。,发射结和集电结均处于反向偏置。,若忽略ICEO： IC 0, UCE UCC,截止区,对于硅管, ICEO 1A。 对于锗管, ICEO 约为 几十至几百微安。,(3) 饱和区,在饱和区，IB IC， 深度饱和时， 硅管UCES 0.3V， 锗管UCES 0.1V。 IC UCC/RC 。

18、,发射结和集电结均处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。,饱和区,当晶体管饱和时，UCE 0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。,晶体管三种工作状态时的电压和电流如下图所示。,晶体管结电压的典型值,例: 在下图电路中, UCC = 6V，RC = 3k，RB = 10k, = 25，当输入电压 UI分别为 3V、1V和 1V时，试问晶体管处于何种工作状态？,解:,晶体管饱和时的集电极电流近似为,晶体管刚饱和时的基极电流为,(2) 当UI= 1V时,晶体管处

19、于放大状态。,(3) 当UI= 1V时，晶体管可靠截止。,(1) 当UI= 3V时,晶体管处于饱和状态。,14.5.4 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,当晶体管接成发射极电路时，,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO 较小的情况下，两者数值接近。,由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有 在特性曲线的近于水平部分，IC随IB成正比变化, 值才可认为是基本恒定的。,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数。晶体管的参数是设计电路、选用晶体管的依据。,在以后的计算中，一般作近似处理 = 。,解：在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,2.

20、集-基极反向截止电流 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-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度影响大。温度 ICEO，所以IC也相应增加。晶体管的温度特性较差。,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流IC上升会导致晶体管的 值的下降,当 值下降到正常值的三分之二时, 集电极电流即为 ICM。,当集射极电压UCE 超过一定的数值时，晶体管就会被击穿。手册上给出的数值是25C,基极开路时的击穿电压为U(BR) CEO。,6. 集电极最大允许耗散功率PCM,PCM取决于晶体

21、管允许的温升，消耗功率过大,温升过高会烧坏晶体管。 PC PCM = IC UCE,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晶体管的安全工作区。,晶体管参数与温度的关系,1. 温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。,2.温度每升高1C，UBE将减小(22.5)mV，即晶体 管具有负温度系数。,3. 温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,14. 6 光电器件,符号,14.6.1 发光二极管(LED),当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电流时，就能发出一定波长范围的光。 目前的发光二极管可以发出从红外到可见波

22、段的光,它的电特性与一般二极管类似。 发光二极管的工作电压为1.5 3V, 工作电流为几至十几微安。,发光二极管主要用于显示电路, 常用的有2EF等系列。,发光二极管 (LED),14.6.2 光电二极管,光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时, 和普通二极管一样, 其反向电流很小, 称为暗电流。当有光照时，产生的反向电流称为光电流。照度 E越强，光电流也越大。 常用的光电二极管有2AU、2CU等系列。光电流很小， 一般只有几十微安， 应用时必须放大。,(a) 伏安特性,(b) 符号,E2 E1,通过光电二极 管可将光信号 转换成电信号,14.6.3 光电晶体管,光电晶体管用入射光照度E的强弱来控制集电极电流。当无光照时, 集电极电流 ICEO很小, 称为暗电流。当有光照时, 集电极电流称为光电流，一般约为零点几毫安到几毫安。 常用的光电晶体管有3AU、3DU等系列。,(b) 输出特性曲线,(a) 符号,光电晶体管在一般的检测电能和光电转换中作为转换元件。,作业,14.3.6（先自行分析，再用Multisim 仿真，二极管用IN4001,电阻选1k） 14.4.3 14.5.9 14.5.10 14.6.1,