第7章半导体器件.ppt

第7章 半导体器件,主要内容有：,作业,7.1 半导体的导电特性,半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间， 例如硅、锗、硒以及一些硫化物等都是半导体。,半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别,这是由半导体材料的原子结构和原子之间结合方式决定的。,纯净的半导体受到加热时，导电能力显著增加， 利用此特性可以做成热敏元件； 纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高， 利用此特性可以做成光敏元件； 在纯净半导体中掺入微量的“杂质”元素后， 导电能力大大增强，可成千上万倍地增长。,最常用的半导体材料：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、结构完整的单晶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,在温度(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，表现为带正电的空穴在原子间移动，因此， 空穴也是一种载流子。,(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 它们同时参与导电，这就是半导体导电的重要特点， 也是与金属在导电机理上的本质差别。,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,施主原子,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,共价键,二、 杂质半导体,掺入微量的三价元素：硼B(或铝),2. P型半导体:,受主原子,空穴吸引邻近原子的价电子填充。,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：,7.2 PN结的形成及其单向导电性,一、PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,多子浓度差异,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变窄。,扩散越强， 空间电荷区越宽。,最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的空间电荷区， 即PN 结。,形成空间电荷区,二、PN结的单向导电性,(1) PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，最后形成较大的扩散电流IF 。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，有较大的正向扩散电流， PN 结呈现低电阻，即处于导通状态。,(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，由于少子浓度很低，形成很小的反向电流IR 。,IR,P接负、N接正,反向电流受温度影响较大，温度，反向电流 。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，只有微弱的反向漂移电流， PN结呈高电阻，即处于截止状态。,综上所述，PN 结具有单方向导电特性。,一、基本结构,7.3.1 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,反向电流IR 在一定电压 范围内保持 常数。,二、 伏安特性,硅管约0.5V,锗管约0.1V。,反向击穿 电压UB,导通管压降,当正向电压大于死区电压时，正向电流迅速增加，二极管处于导通状态。,当反向电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，造成永久性损坏。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.7V锗0.20.3V,死区电压U0,另外,伏安特性与温度T有关， 当T时,U0,UB, IR 。,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0.60.7V；锗0.20.3V,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1： 如何判断二极管的好坏及其正负极性？,问题2： 如何判断二极管的工作状态(导通还是截止)？,三、 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,指二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 最高反向工作电压URM,是保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压，一般是反向击穿电压UB的一半或三分之二。,3. 最大反向电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流愈小，说明管子的单向导电性愈好。 IRM受温度的影响很大，温度升高，反向电流显著增加。硅管反向电流较小(几微安)，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,四、应用:,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。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,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。,理想 二极管:,“开关特性”,判断二极管是导通还是截止？并计算 电压UAB ( 二极管正向压降忽略不计)。,忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V阳 =6 V ， V阴 =12 V,V阳V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 (即共阴极电位)，此时阳极与阴极的电位差大者，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 = 0 V,设B点为电位参考点，则,D2导通后, V1阴 = 0 V, D1承受反向电压 ， D1截止。,ui 8V时，二极管导通，D可看作短路 uo = 8V ui 8V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 8 V,在这里， D 起限幅(或削波) 作用。,若D反向放置, uo 波形如何？,若R与D对调位置, uo 波形又如何？,正负对称限幅电路:,设输入电压ui=10sint(V), Us1=Us2=5V。D为理想二极管,例3：,在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害，如图所示，L和R是线圈的电感和电阻。,例4：,二极管作为保护元件,开关S断开后，二极管起到续流作用。,反向特性 曲线很陡,7.3.2 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。,DZ,1.符号：,正向特性与 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。,(5) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(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 = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,UZ,U,I,UZ,7.4 半导体三极管,一. 基本结构,(1) NPN型,符号：,(2) PNP型,(主要介绍： 结构、放大原理、特性、主要参数及应用),符号：,基区：很薄，且 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,结构特点：,集电区： 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,1. 三极管放大的外部条件,发射结正向偏置、集电结反向偏置,(2)对 PNP 型三极管 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： (1)对 NPN 型三极管 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,即 VC VBVE 集电极电位最高,即 VE VBVC 发射极电位最高,共射极放大电路,2. 各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,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。,3.三极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空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电区而被集电极收集，形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,3. 三极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,通常定义为静态(直流)电流放大倍数。,称为动态(交流)电流放大倍数。,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极放大电路,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,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.60.7V PNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,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,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,在放大区有 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，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。,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。 在饱和区，IC IB ，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。 深度饱和时， 硅管UCES 0.3V， 锗管UCES 0.1V。,四、 主要参数,1. 电流放大系数，,静态电流放大系数,动态电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,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，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,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),集电极电流 IC超过一定值时，其值要下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,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U CEO(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。 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三极管的安全工作区,管子工作在放大状态，利用IB对IC的控制作用。 ,1、用于交流放大电路中,IC = ICEO 0， 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。,UCES 0， 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,管子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,1-1 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。,1-2 在电路中测得各三极管的三个电极对地电位如图1-5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,1-3 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。,1-4 已知放大电路中一个三极管的各极对地电位 分别为 2.3V，3V，6V，试判别管子的类型、管子的三个电极，并说明是硅管还是锗管。,