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电工学半导体器件

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电工学半导体器件 半导体元器件
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第第8 8章章 半导体器件半导体器件 8.18.1 本导体的基本知识本导体的基本知识 8.28.2 半导体二极管半导体二极管 8.38.3 稳压二极管稳压二极管 8.48.4 双极型晶体管双极型晶体管 第8章 半导体器件 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、稳压管和三极管的工作原理和特 性曲线,理解主要参数的意义; 3.会分析二极管和三极管的电路。 学会用工程分析方法,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。 1.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。 2.元器件本身是非线性的,具有分散性,元器件的 值有误差,工程上允许一定的误差。 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。 8.1 半导体的基本知识 为什么具有这些导电特性? 半导体的导电特性: (可做成温度敏感元件,如热敏电阻)。 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 单晶硅(Si)的原子结构平面示意图 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 共价键 价电子 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、具有晶体结构的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 温度(T)一定时,载载流子数量一定。当T↑时,载载流子数量↑ 。 (3)价电子依次填补空穴, 进而产生了电子电流和空 穴电流。 (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; l 半导体中有两种载流子:电子和空穴 这就是半导体导电的重要特点。 自由电子 空穴 l 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:磷掺入微量的五价元素:磷P(P(或锑或锑) )1. N型半导体: 多数载流子为电子, 少数载流子为空穴。 Ø 在室温下就 可以激发成 自由电子 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 共价键 掺入微量的三价元素:硼掺入微量的三价元素:硼B(B(或铝或铝) )2. P型半导体: 受主原子受主原子 空位吸引邻 近原子的价 电子填充。 多数载流子为空穴, 少数载流子为电子。 二、 杂质半导体 综上所述: 无论N型还是P型半导体,对外都呈电中性。 注意: (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. 1. 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 ((a. a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度)有关。温度)有关。 2. 2. 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 ((a. a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度)有关。温度)有关。 3. 3. 当温度升高时,少子的数量当温度升高时,少子的数量 ((a. a. 减少、减少、b. b. 不变、不变、c. c. 增多)。增多)。 a a b b c c 4. 4. 在外加电压的作用下,在外加电压的作用下,P P 型半导体中的电流型半导体中的电流 主要是主要是 ,,N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。。 ((a. a. 电子电流、电子电流、b.b.空穴电流)空穴电流) b b a a 练习题:练习题: 三、三、PNPN结的形成结的形成 多子的扩散运动 内电场 少子的漂移运动 多子浓度差异 P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体 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 四、四、PNPN结的单向导电性结的单向导电性 (1) PN (1) PN 结加正向电压结加正向电压(正向偏置)(正向偏置) PN 结变窄 P P接正、接正、N N接负接负 外电场 IF 内电场被削弱内电场被削弱 ,多子的扩散,多子的扩散 加强,最后形加强,最后形 成较大的扩散成较大的扩散 电流电流IF 。。 PN PN 结外加正向电压时,结外加正向电压时,PNPN结变窄,有较大的正向扩散电流,结变窄,有较大的正向扩散电流, PN PN 结呈现结呈现低低阻性,即阻性,即 PN PN 结外加正向电压结外加正向电压导通导通。。 内电场 PN - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + – (2) PN (2) PN 结加反向电压结加反向电压(反向偏置)(反向偏置) 外电场外电场 P P接负、接负、N N接正接正 内电场内电场 P P N N + + + + + + -- -- -- -- -- -- + + + + + + + + + + + + + + + + + + -- -- -- -- -- -- -- -- -- + + + + + + + + + + + + -- -- -- –+ PN PN 结变宽结变宽 (2) PN (2) PN 结加反向电压结加反向电压(反向偏置)(反向偏置) 外电场外电场 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 P接负、接负、N N接正接正 反向电流受温度影响较大,温度反向电流受温度影响较大,温度↑ ↑,反向电流,反向电流↑ ↑ 。。 –+ PN PN 结外加反向电压时,结外加反向电压时,PNPN结变宽,只有微弱的反向漂移电流,结变宽,只有微弱的反向漂移电流, PNPN结呈结呈高高阻性,即阻性,即PN PN 结外加反向电压结外加反向电压截止截止。。 内电场内电场 P P N N + + + + + + -- -- -- -- -- -- + + + + + + + + + + + + + + + + + + -- -- -- -- -- -- -- -- -- + + + + + + + + + + + + -- -- -- 综上所述,PN 结具有单方向导电特性。 金属触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线 外壳 ( a ) 点接触型 铝合金小球 N型硅 阳极引线 PN结 金锑合金 底座 阴极引线 ( b ) 面接触型 一、基本结构一、基本结构 阴极阳极 D 8.2 8.2 半导体二极管半导体二极管 按材料分:硅按材料分:硅(Si)(Si)管和锗管和锗( (GeGe) )管;管; 按按工艺分:点接触型和面接触型;工艺分:点接触型和面接触型; 符号:符号: (Diode)(Diode) 阳极阴极 管壳 按用途分:整流管、稳压管、按用途分:整流管、稳压管、 开关管等。开关管等。 P N 型号:型号: 2AP152AP15 二极管二极管 C: NC: N型型SiSi 材料材料 极性极性 A A: N: N型型GeGe B: PB: P型型GeGe D: PD: P型型SiSi 类型类型 P P: : 普通管普通管 Z: Z: 整流管整流管 K: K: 开关管开关管 W: W: 稳压管稳压管 序号序号 例如2CZ10,2CW18等。 半导体二极管实物图片半导体二极管实物图片 二、伏安特性二、伏安特性 反向击穿反向击穿 电压电压U U B B 导通管压降导通管压降 U UD D U U I I 死区电压死区电压U U T T P P N N + + – – P P N N – –+ + 另外另外, ,伏安特性与温度伏安特性与温度T T有关,有关, 当当T T↑↑时时, ,U U T T ↓↓, ,U U B B ↓↓, , I I R R ↑↑。。 i i D D = 0= 0 U U T T = = 0.5 V 0.5 V ( (硅管硅管) ) 0.1 V 0.1 V ( (锗管锗管) ) U U   U U T T i i D D 急剧上升 急剧上升 0 0   U U   U U T T U UD D = = 0.7 V 0.7 V ( (硅管硅管 ) ) 0.3 V 0.3 V ( (锗管锗管) ) ︱︱U U ︱︱ ︱︱U U B B ︱︱ 反向电流急剧增大反向电流急剧增大 二极管被二极管被反向击穿反向击穿 正向特性:正向特性: 反向特性:反向特性: 二极管二极管具有单向导电特性具有单向导电特性 1. 1. 二极管加二极管加正向电压正向电压(正向偏置,阳极接正、阴极接负(正向偏置,阳极接正、阴极接负 )) 大于死区电压时,大于死区电压时, 二极管处于二极管处于导通导通状态,二极管正向电阻较状态,二极管正向电阻较 小,正向电流较大。小,正向电流较大。 导通时管压降:导通时管压降:硅硅0.7V0.7V;;锗锗0.3V0.3V 2. 2. 二极管加二极管加反向电压反向电压(反向偏置,阳极接负、阴极接正(反向偏置,阳极接负、阴极接正 )) 时,时, 二极管处于二极管处于截止截止状态,二极管反向电阻较大,反向电流状态,二极管反向电阻较大,反向电流 很小。很小。当反向电压大于反向击穿电压时,二极管被击穿,失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。去单向导电性。 问题:如何判断二极管的好坏及其正负极性?问题:如何判断二极管的好坏及其正负极性? 三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数 1. 1. 最大整流电流(额定正向平均电流)最大整流电流(额定正向平均电流)I I F F 二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。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. 2. 正向电压降正向电压降U U F F 二极管的电流为额定正向平均电流时,二极管两端电压二极管的电流为额定正向平均电流时,二极管两端电压 。。 4. 4. 最大反向电流最大反向电流I IRM RM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。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。反向电流愈小,说明管子的单向导电性愈好。 I I RMRM受温度的影响很大,温度升高,反向电流显著增加。 受温度的影响很大,温度升高,反向电流显著增加。 硅管反向电流较小硅管反向电流较小( (几微安几微安) ),锗管的反向电流较大,为硅管,锗管的反向电流较大,为硅管 的几十到几百倍。的几十到几百倍。 3. 3. 最高反向工作电压最高反向工作电压U URM RM 保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压,一般保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压,一般 为反向击穿电压为反向击穿电压U U B B 的一半或三分之二。的一半或三分之二。 四、应用四、应用: : 二极管正向压降二极管正向压降: : 硅硅0 0.6~0.8V.6~0.8V 锗锗0 0.2~.2~0.3V0.3V ①①若忽略管压降,则为理想二极管若忽略管压降,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。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。保护以及开关电路中。 “ “开关特性开关特性” ” ②②二极管的近似模型二极管的近似模型 二极管的正向压降二极管的正向压降= =U U D D 判断二极管是导通还是截止?并计算电压判断二极管是导通还是截止?并计算电压U UAB AB ( ( 二极管二极管 正向压降忽略不计正向压降忽略不计) )。。 忽略管压降,二极管可看作短路,忽略管压降,二极管可看作短路,U UAB AB = =-- 6V6V 例1: 取取 B B 点作参考点,点作参考点,断开断开 二极管二极管,分析二极管阳极,分析二极管阳极 和阴极的电位。和阴极的电位。 V V 阳 = =- -6 V6 V,,V V阴 = =--12 V 12 V ∵∵V V阳 阳V V阴 阴 , , ∴∴二极管导通。二极管导通。 若不是理想二极管,若不是理想二极管, 则二极管为则二极管为GeGe管管时时, , U UAB AB为- 为-6.36.3V;V; 二极管为二极管为Si Si 管时管时, , U UAB AB为- 为-6.7V 6.7V 。。 解: D 6V 12V 3k B A UAB + – (a) 两个二极管的阴极两个二极管的阴极接在一起接在一起 ( (即共阴极即共阴极) ),此时阳,此时阳极与阴极与阴 极极电位差大者,优先导通电位差大者,优先导通。。 (b) 在这里,在这里, D D 2 2 起起钳位钳位作用,作用, D D 1 1 起起隔离隔离作用。作用。 B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + – 解: ∴∴ D D 2 2 优先导通优先导通 电压电压U UAB AB = 0 V = 0 V 设设B B点为电位参考点,则点为电位参考点,则 电位电位V V1 1阳 阳 = =- -6 V6 V,,V V2 2阳 阳=0 V =0 V,, V V 1 1阴阴 = = V V2 2阴 阴= = --12 V12 V 阳阳极与阴极的极与阴极的电位差电位差U UD1 D1 = 6V = 6V,,U UD2 D2 =12V =12V D D2 2 导通后导通后, , V V1 1阴 阴 = 0 V, = 0 V, D D 1 1 承受反向电压承受反向电压 ,,∴∴ D D 1 1 截止。截止。 二极管共阴极接法,阳极电位高的优先导通;二极管共阴极接法,阳极电位高的优先导通; 二极管共阳极接法,阴极电位低的优先导通。二极管共阳极接法,阴极电位低的优先导通。 u u i i 8V 8V时,时,二极管导通,二极管导通,D D可看作短路可看作短路 u u o o = 8V = 8V u u i i V VE E 集电结反偏集电结反偏 V V C C V VB B 即即 V V C C V V B B V VE E 集电极电位最高集电极电位最高 即即 V V E E V V B B V V C C 发射极电位最高 发射极电位最高 B B E C C N N N N P P EB RB E EC C RC IE IC IB B B E C C P P P P N N EB RB E EC C RC IE IC IB 共射极放大电路共射极放大电路 1. 1. 三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件 U U BEBE=0.3 =0.3V V,0.7,0.7V V U U BEBE= -0.3 = -0.3V V,-0.7,-0.7V V 2. 2. 各极电流关系及电流放大作用各极电流关系及电流放大作用 I I B B (mA(mA) ) I I C C (mA(mA) ) I I E E (mA(mA) ) 0 0 0.020.02 0.040.040.060.06 0.080.080.100.10 0.010.010.700.701.501.502.30 2.303.103.103.953.95 0.010.010.720.721.541.542.362.363.183.184.054.05 1 1)三电极电流关系)三电极电流关系 I I E E = = I I B B + + I I C C 2 2)) I I C C  I I B B ,, I I C C   I IE E 3 3))  I I C C   I I B B 基极电流的微小变化基极电流的微小变化 I I B B 能够能够 引起较大的集电极电流变化引起较大的集电极电流变化 I I C C , , 这就是三极管的电流放大作用。这就是三极管的电流放大作用。 B B E C C N N N N P P EB RB E EC C RC IE IC IB 3.3.三极管内部载流子的运动规律三极管内部载流子的运动规律 B E C N N P EB RB EC IE IBN ICN ICBO 基区空穴向基区空穴向 发射区的扩发射区的扩 散可忽略。散可忽略。 发射结正偏,发发射结正偏,发 射区电子不断向射区电子不断向 基区扩散,形成基区扩散,形成 发射极电流发射极电流I I E E 。。 进入进入P P区的电子区的电子 少部分与基区的少部分与基区的 空穴复合,形成空穴复合,形成 电流电流 I I BN BN , ,多数多数 扩散到集电结。扩散到集电结。 基区的电子作为基区的电子作为 集电结少子,漂集电结少子,漂 移进集电区被集移进集电区被集 电极收集,形成电极收集,形成 I I CNCN。 。 集电结反偏,有集电结反偏,有 少子形成的反向少子形成的反向 电流电流I ICBO CBO。 。 动画动画 发射极是输入回路、输出回路的公共端 发射极是输入回路、输出回路的公共端 共射放大电路共射放大电路 输入回路 输出回路 测量晶体管特性的实验线路测量晶体管特性的实验线路 IC EB mA A V UCE UBE RB IB EC V + + –– – – + + 三、三、特性曲线特性曲线 1. 1. 输入特性输入特性 特点特点: :非线性非线性 正常工作时发射结电压:正常工作时发射结电压: NPNNPN型硅管型硅管,,U UBE BE ≈ ≈ 0.7V 0.7V PNPPNP型锗管,型锗管,U UBE BE ≈ ≈   0.3V 0.3V IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 UCE1V O UBE IB + – RB EB 2. 2. 输出特性输出特性 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 36 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 912 O 输出特性曲线通常分三个工作区:输出特性曲线通常分三个工作区: IC mA UCE IB EC V + – – + 2. 2. 输出特性输出特性 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 36 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 912 0 放大区 (1) (1) 放大区放大区 在放大区有在放大区有 I I C C = =  I IB B , ,称为称为线性区线性区,具有,具有恒流特性 恒流特性。。 发射结正偏发射结正偏、、集电结反偏集电结反偏,晶体管工作于,晶体管工作于放大放大状态。状态。 ((2 2)截止区)截止区 I I B B = 0 = 0 以下区域以下区域,有,有 I IC C   0 0 。。 发射结、集电结均反偏发射结、集电结均反偏,, 晶体管工作在晶体管工作在截止截止状态。状态。 ((3 3)饱和区)饱和区 当当U UCE CE  U UBEBE时 时,,晶体管工晶体管工 作在作在饱和饱和状态。状态。 I IC C V V B B V VE E 集电极电位最高集电极电位最高 V VE E V V B B V V C C 发射极电位最高 发射极电位最高 PNPPNP型各极电位:型各极电位: 硅管硅管︱︱U UBE BE ︱ ︱=0.7V=0.7V 锗管锗管︱︱U UBE BE ︱ ︱=0.3V=0.3V
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