第14章-半导体器件.ppt

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结及其导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,本章要求： 1. 理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用； 2. 了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 3. 会分析含有二极管的电路第14章 半导体器件,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，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分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 器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法14.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性：,掺杂性：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、三极管和晶闸管等）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、光敏三极管等)。

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、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,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，称为电子 半导体或N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,扩散的结果使空间电荷区变宽内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄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加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,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小用于检波和变频等高频电路结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路c) 平面型 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半导体二极管的结构和符号,14.3 二极管,二极管的结构示意图,跳转,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才能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,硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V,死区电压,反向电流在 一定电压范围 内保持常数。

14.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,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,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流反向电流大，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1. 二极管检波电路,检波就是将低频信号从已调制信号(高频信号)中 取出电路及信号波形如图所示在电视、广播及通信中，为使图像、声音能远距 离传送，需要将这一低频电信号驮载在高频信号上， 这个过程叫调制。

应用举例,1. 二极管检波电路,检波就是将低频信号从已调制信号(高频信号)中 取出电路及信号波形如图所示输入信号为已调制信号，由电视机、收音机接收后， 由检波二极管 D 将已调制信号的负半周去掉，然后利 用电容将高频信号滤去, 留下低频信号, 再经放大电路 放大，送给负载显像管或扬声器，还原成图像或声音应用举例,2. 二极管限幅电路,限幅是指限制电路的输出幅值输入信号的波形 经限幅后，只有其中一部分传到输出，其余部分则被 限制而消失 模拟电子技术中，常用限幅电路来减小和限制某 些信号的幅值，以适应电路的不同要求，或作为保护 措施在数字电路中, 常用限幅电路来处理信号波形 限幅电路是用具有非线性特性的器件来实现的， 二极管可用来组成简单的限幅电路限幅电路中的二 极管一般都工作在大电流范围，所以可采用二极管的 恒压模型来分析电路的工作原理二极管电路分析原则：,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,,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,设二极管是理想的， 正向导通时二极管相当于短路， 反向截止时二极管相当于断开。

电路如图，求：UAB,V阳 =－6 V V阴 =－12 V V阳V阴 二极管导通,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在这里，二极管起钳位作用若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =－ 6V 否则, UAB低于－6V一个管压降,为－6.3Ｖ或－6.7V,参考点,V阳,V阴,,,,,两个二极管的阴极接在一 起取 B 点作参考点，断开 二极管，分析二极管阳极 和阴极的电位V1阳 =－6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= －12 V UD1 = 6V，UD2 =12V ∵ UD2 UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止 若忽略管压降, 二极管可看作短路, UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为－6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,D2 起钳位作用， D1起隔离作用ui 8V，二极管导通，可看作短路， uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路， uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形8V,例3：,二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等二极管阴极电位为 8 V,参考点,14.4 稳压二极管,1. 符号和外形图,,UZ,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,稳压管正常工作时加反向电压,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，稳压管在电路中可起稳压作用。

稳压二极管,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2) 电压温度系数ｕ 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数3) 动态电阻,(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 晶体管,晶体管的结构示意图和表示符号,(a)NPN型晶体管；,(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,14. 5. 2 电流分配和放大原理,1. 三极管放大的外部条件,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 EC = 6 V，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：,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,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，漂移进入集电结而被收集，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. 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,集－射极穿透电流, 温度IC。