第4章半导体基本器件

Chapter4常用半导体器件Chapter4常用半导体器件2主要内容•半导体的基本知识与PN结•半导体二极管及其应用电路•双极型三极管及其特性参数•场效应管及其放大电路Chapter4常用半导体器件3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。学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，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。学习要求：Chapter4常用半导体器件4§4.1半导体的基本知识与PN结物质的分类绝缘体：ρ1012cm如：橡胶、陶瓷、塑料等导体：电阻率ρ10-4cm如：金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、锡（Sn）导电性能介于导体与绝缘体之间，受温度、光照和掺杂程度影响极大半导体：10-3cmρ109cm硅或锗Chapter4常用半导体器件5一、半导体的基本知识纯净的、具有晶体结构的半导体。1.本征半导体284+14Si28184+32Ge4个价电子将四价元素硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。晶体结构+4惯性核+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键Chapter4常用半导体器件6本征激发两种载流子在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。因热运动产生自由电子空穴对的现象。本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很低。如果在其中参入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强，且其导电性能由杂质的类型和掺杂的数量支配，而不再取决于温度。Chapter4常用半导体器件72.N型半导体和P型半导体N型半导体在本征半导体中掺入5价原子如砷（As）、磷（P）P型半导体在本征半导体中掺入3价原子如硼（B）、镓（Ga）+4+4+4+4+4+4+4+5+5电离产生自由电子+4+4+4+4+4+4+4+3+3多余空穴多数载流子：电子少数载流子：空穴多数载流子：空穴少数载流子：电子Chapter4常用半导体器件8二、PN结1.PN结的形成在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体。在两种半导体交界面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。扩散：由于载流子浓度差引起的载流子从浓度高的地方向浓度低的地方运动漂移：在电场力的作用下，载流子发生的定向运动。+-内电场动态平衡Chapter4常用半导体器件9PN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。2.PN结的单向导电性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。结论：PN结具有单向导电性。Chapter4常用半导体器件10§4.2半导体二极管及其应用电路将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。1、点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频路。一、电路符号与基本结构+−iDuD电路符号Chapter4常用半导体器件113、平面型二极管2、面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。Chapter4常用半导体器件12604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V反向特性死区电压)1(eTsVuIiTesVvIi当加正向电压，且uVT时,VT称为死区电压。硅管：VT≈0.5V，锗管：VT≈0.1V。导通时的正向压降硅管：0.6~0.7V，锗管：0.2~0.3V。正向特性1.正向特性2.反向特性电流很小，几乎为零。当u＜0时，i=−Is（反向饱和电流）+−iDuD二、二极管伏安特性Chapter4常用半导体器件13当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。3.反向击穿特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V反向特性击穿电压U(BR)Chapter4常用半导体器件14三、主要参数2.最高反向工作电压UDRM它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。1.最大整流电流IFM最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。3.最大反向电流IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。Chapter4常用半导体器件15四、二极管的电路模型二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的模型分析法。oiDuD+−iDuD二极管导通后，硅管：uD＝0.7V，锗管：uD＝0.3V。相当于一理想开关。2.恒压降模型1.理想模型Chapter4常用半导体器件16五、二极管应用电路在电子技术中二极管电路得到广泛应用。基本电路有限幅电路、整流电路、钳位电路、开关电路等。1.整流电路当us0，D导通，uo=vs；当us0，D截止，uo=0。单向整流电路Chapter4常用半导体器件172.限幅电路二极管D1、D2用恒压降模型，UON=0.7V。当uSUON时，D1导通，D2截止，uo=0.7V；当uS−UON时，D2导通，D1截止，uo=−0.7V；当|uS|UON时，D1、D2均截止，uo=us。输出电压被限幅在0.7V，称双向限幅电路。Chapter4常用半导体器件18例4.1在图中，输入电位UA=+3V，UB=0V，电阻R接负电源–12V。求输出端电位UO。因为UA高于UB，所以D1优先导通。设二极管的正向压降是0.3V，则UO=+2.7V。当D1导通后,D2因反偏而截止。D1起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7V。解：Chapter4常用半导体器件19六、特殊二极管稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管工作于反向击穿区。I/mAOUZIZIZM+正向+反向UZIZU/V1.稳压管稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用Chapter4常用半导体器件20稳压管的主要参数：1.稳定电压UZ4.稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。3.动态电阻rZ2.电压温度系数U（%/℃）5.最大允许耗散功率PZMZZZIUrmaxZZZMIUP稳压值受温度变化影响的的系数。Chapter4常用半导体器件21电阻的作用:起限流作用，以保护稳压管；当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。Chapter4常用半导体器件22正常稳压时UO=UZ稳压条件是什么？IZmin≤IZ≤IZmax不加R可以吗？当Ui为正弦波，且幅值大于UZ，UO的波形是怎样的？Chapter4常用半导体器件232.发光二极管ak当电流流过时，发光二极管将发出光来，光的颜色由二极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几mA至几十mA之间。另一重要作用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号。发光二极管的符号Chapter4常用半导体器件243.光电二极管akakipup+（a）光电二极管的符号（b）光电二极管的等效电路光电二极管可将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与照度成正比。Chapter4常用半导体器件25§4.3双极型三极管及其特性参数•三极管结构与工作原理•三极管特性曲线及主要参数Chapter4常用半导体器件26一、双极型三极管三极管的结构与符号电流分配与放大作用三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的其它形式Chapter4常用半导体器件271.三极管的结构与符号半导体三极管简称三极管，是由2个PN结构成的，其基本功能：具有电流放大作用。N型硅BECN型硅P型硅(a)平面型二氧化硅保护膜铟球N型锗ECBPP(b)合金型铟球Chapter4常用半导体器件28按结构可分为：NPN型和PNP型。集电极，用C表示集电区，掺杂浓度低基极，用B表示基区，薄发射区，掺杂浓度高发射结集电结，面积比发射结大发射极，用E表示Chapter4常用半导体器件29发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。becbecNPN型与PNP型三极管的工作原理相似，只是使用时所加电源的极性不同。Chapter4常用半导体器件30三极管内部载流子的运动规律IEIBICENBCNPEBRBECChapter4常用半导体器件31mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100用实验说明三极管的电流分配与放大作用实验电路采用共发射极接法，NPN型管。为了使三极管具有放大作用，电源EB和EC的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。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，2.电流分配与放大作用Chapter4常用半导体器件32IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA0.0010.701.502.303.103.95IE/mA0.0010.721.542.363.184.05三极管电流测量数据结论：(1)BCEIII符合KCL，且IC≈IE(2)IB对IC有控制作用。BCIIIB的改变控制了IC的变化，体现了三极管的电流控制作用。电流放大系数Chapter4常用半导体器件33NPN型三极管应满足:UBE0UBC0即UCUBUEPNP型三极管应满足:UEB0UCB0即UCUBUE三极管实现放大的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压。ICIEIBBUBE+UCE+ECICIEIBBUBE+UCE+ECChapter4常用半导体器件34例4.2在放大电路中测得4个三极管的各管脚对“地”电位如图所示。试判断各三极管的类型（是NPN型还是PNP型，是硅管还是锗管），并确定e、b、c三个电极。Chapter4常用半导体器件35分析：1）工作于放大状态的三极管，发射结应正偏，集电结应反偏，因而NPN型有VCVBVE，PNP型有VCVBVE。可见基极电位总是居中，据此可确定基极。2）硅管|UBE|=0.6~0.8V，锗管|UBE|=0.2~0.4V，则与基极电位相差此值的电极为发射极，并可判断是硅管还是锗管。3）余下一电极为集电极。4）集电极电位为最高的是NPN型管，集电极电位为最低的是PNP型管。Chapter4常用半导体器件36（c）PNP型硅管，①-集电极，②-基极，③-发射极（a）NPN型硅管，①-发射极，②-基极，③-集电极（d）NPN型锗管，①-基极，②-集电极，③-发射极（b）PNP型锗管，①-集电极，②-基极，③-发射极Chapter4常用半导体器件37输入特性曲线++−−iBiCuBEuCE常数CE)(BEBuufiiB和uBE之间的关系与二极管相似。三极管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生iB。3.三极管的特性曲线Chapter4常用半导体器件38输出特性曲线常数B)(CECiufi(1)放大区对NPN型管而言，应使，UCUBUE。++−−iBiCuBEuCEIC＝βIB(2)截止区IB=0时,IC=ICEO(很小)。为了使三极管可靠截止，常使UBE0，截止时集电结也处于反向偏置(UBC0)，此时,IC0。Chapter4常用半导体器件39(3)饱和区当UCE＝UCESUBE时，集电结处于正向偏置(UBC0)，三极管工作于饱和状态。在饱和区，IC和IB不成正比。++−−iBiCuBEuCE当三极管饱和时，UCE0，C-E间如同一个开关的接通；当三极管截止时，IC0，C-E之间如同一个开关的断开；可见，三极管除了有放大作用外