第10章半导体器件.

下一页返回上一页退出章目录电子技术基础模拟部分10~14章数字部分15~17章电路仿真第18章下一页返回上一页退出章目录信号：信息的载体，随时间变化的某种物理量。电子信号信号:铃声——声信号，表示该上课了；红绿灯——光信号，指挥交通；电视机天线接收的声音，图像信息——电信号；信号按物理属性分为：电信号和非电信号。它们可以相互转换。电信号容易产生，便于控制，易于处理。本课程仅讨论电信号——简称“信号”。电信号的基本形式：随时间变化的电压或电流。描述信号的常用方法：（1）表示为时间的函数（2）信号的图形表示--波形下一页返回上一页退出章目录tV信号的波形：电子信号下一页返回上一页退出章目录v(t)=Vmsin(ωt+θ)ω/θT=2π/ω=1/fVm2π/ωtV信号的数学表达式：电子信号下一页返回上一页退出章目录信号的频谱：信号幅值随频率变化的分布。方波波形tV方波频谱Vff03f05f0电子信号下一页返回上一页退出章目录信号幅度0t信号的频谱：信号幅值随频率变化的分布。电子信号方波波形下一页返回上一页退出章目录信号按时间和幅度是否连续分为：模拟信号：时间和数值都连续数字信号：时间和数值不一定连续tV电子信号下一页返回上一页退出章目录信号按时间和幅度是否连续分为：模拟信号：时间和数值都连续数字信号：时间和数值不一定连续tV电子信号下一页返回上一页退出章目录10.3半导体二极管10.4特殊二极管10.5双极型晶体管10.2PN结及其单向导电性10.1半导体的基础知识第10章半导体器件下一页返回上一页退出章目录本章要求：1.理解PN结的单向导电性；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；3.三极管的电流分配和电流放大作用。重点：PN结理论，二极管单向导电性，三极管的电流放大作用与开关作用。难点：三极管的电流放大作用。下一页返回上一页退出章目录10.1半导体的基础知识半导体的导电特性：(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，导电能力显著增强半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。下一页返回上一页退出章目录10.1.1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。最多的半导体：硅（Si）14，锗（Ge）32。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。SiSiSiSi价电子下一页返回上一页退出章目录SiSiSiSi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。空穴温度愈高，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）。下一页返回上一页退出章目录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，在半导体中，同时存在电子导电和空穴导电，这是与金属导电的本质区别；(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。下一页返回上一页退出章目录10.1.2杂质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SiSiSiSip+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。在中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。1.N型半导体N型半导体下一页返回上一页退出章目录2.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SiSiSiSi在中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–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。P型半导体下一页返回上一页退出章目录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）。abc4.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）ba下一页返回上一页退出章目录10.2.1PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差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薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。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。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区下一页返回上一页退出章目录10.2.2PN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接负外电场IF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。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–下一页返回上一页退出章目录PN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP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。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－下一页返回上一页退出章目录10.3.1二极管的基本结构(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。下一页返回上一页退出章目录阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型金属触丝阳极引线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)面接触型图1–12半导体二极管的结构和符号10.3半导体二极管二极管的结构示意图阴极阳极(d)符号D下一页返回上一页退出章目录常见的二极管下一页返回上一页退出章目录我国半导体器件型号命名方法半导体器件的型号由五部分组成：第一部分：用数字表示器件的电极数目第二部分：用字母表示器件的材料和极性第三部分：用字母表示器件的类型第四部分：用数字表示器件的序号第五部分：用字母表示规格号下一页返回上一页退出章目录二极管的型号2AP7的含义：N型锗材料普通二极管半导体器件的型号命名：2AP7下一页返回上一页退出章目录2CW56A的含义：N型硅材料稳压二极管二极管的型号半导体器件的型号命名：2CW56A下一页返回上一页退出章目录10.3.2二极管的伏安特性硅管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0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。下一页返回上一页退出章目录10.3.3二极管的主要参数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。下一页返回上一页退出章目录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。下一页返回上一页退出章目录二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向导通压降硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V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)，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。下一页返回上一页退出章目录二极管的应用举例1：tttuiuRuoRRLuiuRuo在这里，二极管起检波作用。下一页返回上一页退出章目录电路如图，求：UABV阳=－6VV阴=－12VV阳V阴二极管导通若忽略管压降，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例2：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。D6V12V3kBAUAB+–下一页返回上一页退出章目录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=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2UD1∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0V例3:D1承受反向电压为－6V流过D2的电流为mA43122DI求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–下一页返回上一页退出章目录ui8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，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。Vsin18itu8V例4：二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。uit18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––下一页返回上一页退出章目录1.符号UZIZIZMUZIZ2.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，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO10.4.1稳压二极管下一页返回上一页退出章目录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ZZZIUr(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。P11例题10.4下一页返回上一页退出章目录符号10.4.2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。目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。常用的有2EF等系列。发光二极管的工作电压为1.5~3V，工作电流为几~十几mA。下一页返回上一页退出章目录10.4.3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