第2讲 半导体器件及其应用电路

第一章常用半导体器件1.1半导体知识1.2二极管及其特性1.4三极管及其特性1.5场效应管1.3特殊二极管模拟电子技术1.1半导体的基础知识一半导体基本知识二PN结单向导电性模拟电子技术一、半导体基础知识半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子—能够参与导电的带电粒子。主要有自由电子和空穴。特性—光敏性、热敏性、掺杂性。模拟电子技术杂质半导体：N型半导体和P型半导体N型半导体:在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体。+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数电子数模拟电子技术+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数空穴数P型半导体:在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体。模拟电子技术P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子P型半导体N型半导体模拟电子技术二、PN结及其特性一、PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场模拟电子技术P区N区内电场外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子I多子2.外加反向电压(反向偏置)—reversebiasP区N区内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子0二、PN结的单向导电性1.外加正向电压(正向偏置)模拟电子技术三、PN结的伏安特性)1e(/STUuII反向饱和电流温度的电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mVOu/VI/mA正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时i≈–IS模拟电子技术本节主要介绍了二极管的有关概念：本征半导体、空穴、载流子杂质半导体：P型和N型半导体、多子、少子PN结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场）PN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止PN结的特性曲线：正向特性：死区电压、导通电压反向特性：反向饱和电流、温度影响大模拟电子技术思考与习题思考题：P41.；2.模拟电子技术1.2半导体二极管及其应用电路一、二极管的结构和类型二、二极管的伏安特性三、二极管的主要参数四、二极管应用电路五、其它类型二极管模拟电子技术一、半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型模拟电子技术点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底常见二极管的外型封装及符号模拟电子技术模拟电子技术二、二极管的伏安特性1.PN结的伏安方程)1e(/SDDTUuIi反向饱和电流温度的电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mV模拟电子技术2.二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5V0.2V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0UUthUD(on)=(0.60.8)V导通电压硅管0.7V(0.20.3)V锗管0.3V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)U0iD=IS0.1A(硅)几十A(锗)UU(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)模拟电子技术反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。模拟电子技术硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020模拟电子技术温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90CT升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降模拟电子技术三、二极管的主要参数1.IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.IR—反向电流(越小单向导电性越好)4.fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO模拟电子技术反向电阻测试正向电阻测试正向电阻很小，二极管导通。正向电阻很大，二极管截止。如何用万用表的“”档来辨别一只二极管？模拟电子技术1.二极管限幅电路解：请观看仿真波形!ID+vo--R10K+vi—20V例2-1电路图VREF例2-1.如图1所示电路。试画出VREF分别为0、10V时的波形。其中vi=20sintV。2.二极管开关电路例2-2.如图2所示电路。试求VI1、VI2为0和+5V时V0的值。R10KV0Vcc+5V例2-2电路图VI1VI2D1D2000+5V000+5V+5V0+5V+5VV0VI1VI2四、二极管应用电路模拟电子技术u2负半周时：A点电位最低，B点电位最高，D2、D4导通，D1、D3截止，uo=-u2。u2正半周时：A点电位最高，B点电位最低，D1、D3导通，D2、D4截止，uo=u2;AD4D3D2D1~220V50Hz+uo-RL+u2-BAD4D3D2D1~220V50Hz+uo-RL+u2-B•电路及工作原理3.二极管单相桥式整流电路iD2,4iD1,3uD2,4uD1,3Oui234tOuo234tOuD234t22U22U22UOiD234t模拟电子技术①伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性4.稳压二极管模拟电子技术②主要参数a.稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。b.稳定电流IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。c.最大工作电流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZIZMd.动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十模拟电子技术1.发光二极管与光敏二极管（1）发光二极管LED(LightEmittingDiode)①符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V符号u/Vi/mAO2特性五、其它类型的二极管模拟电子技术②主要参数电学参数：IFM，U(BR)，IR光学参数：峰值波长P，亮度L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,模拟电子技术模拟电子技术（2）光敏二极管①符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置②主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片模拟电子技术补充：选择二极管限流电阻步骤：1.设定工作电压(如0.7V；2V(LED)；UZ)2.确定工作电流(如1mA；10mA；5mA)3.根据欧姆定律求电阻R=(UIUD)/ID(R要选择标称值)模拟电子技术本节主要介绍了二极管的有关概念：半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触型、平面型；硅管、锗管；整流管、开关管、检波管、发光管、光敏管、稳压管等。半导体二极管的特性：与PN结基本相同。半导体二极管的参数PN结的特性曲线：正向特性：死区电压、导通电压反向特性：反向饱和电流、温度影响大击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、热击穿模拟电子技术思考与习题习题：P42：1-15，1-16,1-17；选作1-18。