第1章半导体器件及整流电路

1电子技术半导体器件及整流电路2电子技术包含模拟电子技术基础和数字电子技术基础两部分内容，模拟电子技术主要研究模拟电子信号的相关课目，数字电子技术主要研究数字电子信号的相关课目。是理工科（非电专业）学生必修的一门基础理论课。前面四章主要介绍常用半导体器件、放大电路、集成运算放大器和稳压电源电路，是研究低频范围内的在时间和空间上都連續的模拟信号的基本技术理论。后面章节着重介绍逻辑代数、门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路等，研究在时、空上不連續的、断续的数字信号的基本技术理论。31.1半导体二极管及整流电路1.2特殊二极管及稳压电路1.3双极型三极管1.4场效应晶体管1.5晶体管的识别与简易测试第1章半导体器件4第1章半导体器件学习要点二极管的工作原理、伏安特性、主要参数和整流电路双极型三极管的放大作用、输入和输出特性曲线及主要参数场效应管的放大作用、输入和输出特性曲线及主要参数晶体二极管、三极管的识别与简单測試5对于元器件，重点放在特性、技术指标和正确使用方法上面，了解其内部机理。讨论器件的目的在于应用。学会用工程观点分析问题，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。器件是非线性的，特性有分散性，R，C的值有误差。工程上允许一定的误差。采用合理估算的方法。对电路进行整体考虑时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。但分析计算时另当别论。我们在分析计算时一般都以理想条件为前提，已经考虑了各項近似因素。61.1半导体二极管及整流电路半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管、集成块等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。1.1.1半导体的导电特征导体：很容易导电的物体，如金、银、铜、铁等。绝缘体：不容易导电或者完全不导电的物体，如塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等。半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)、金属氧化物等。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。物质导电性能的差异决定于物质内部原子结构及原子与原子之间的结合方式。7半导体的特性：(可制成温度敏感元件，如热敏电阻)掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，使其导电能力明显改变。光敏性：当受到光照时，其导电能力明显变化。(可制成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力明显増强。8本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。硅和锗的晶体结构9室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。純净的半导体叫本征半导体。每个原子周围有四个相邻的原子，每个原子的一个外层价电子与另一原子的外层价电子组成电子对，原子之间的这种电子对为两原子共有，称为共价键结构。原子通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。由于温升、光照等原因，共价键的电子容易挣脱键的束縛成为自由电子。这是半导体的一个重要特征。1．热激发产生自由电子和空穴10硅和锗的共价键结构共价键共用电子对共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子。+4+4+4+411+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键上留下一个空位，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。12（与自由电子的运动不同）有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中（这是一种相对运动），新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴，这是半导体与导体在导电原理上的本質区别。热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度，达到动态平衡。2．空穴的运动133.在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在一个多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。（1）N型半导体自由电子多数载流子（简称多子）空穴少数载流子（简称少子）N型半导体掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。+4+4+4+4+5多余电子磷原子掺入五价元素在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子15（2）P型半导体在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。自由电子多数载流子（简称多子）空穴少数载流子（简称少子）P型半导体掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。+4+4+4+4+3硼原子空穴掺入三价元素接受一个电子变为负离子17P型半导体N型半导体＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，通常对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。只有将两种杂质半导体做成PN结后才能成为半导体器件。18半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层→PN结。1．PN结的形成1.1.2PN结及其单向导电性19P区空间电荷区N区PN结及其内电场内电场方向＋＋＋＋＋＋＋＋＋P区N区载流子的扩散运动＋＋＋＋＋＋＋＋＋多子扩散形成空间电荷区产生内电场少子漂移促使阻止扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结20①外加正向电压（也叫正向偏置）外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于低阻导通状态。空间电荷区变窄ER内电场外电场PNI＋＋＋2．PN结的单向导电性21ER内电场外电场空间电荷区变宽PNI＋＋＋＋＋＋＋＋＋②外加反向电压（也叫反向偏置）外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于高阻截止状态。22一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。符号用VD表示。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，允許通过电流大，多用在低频整流、检波等电路中。阳极阴极1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构二极管的结构示意图VD24-60-40-200.40.8U/V40302010I/mA0正向特性反向特性（1）正向特性（导通）外加正向电压小于开启电压（阈值电压）时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结处于截止状态。正向电压大于阈值电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。通常阈值电压硅管约为0.5V，导通时电压0.6V；锗管阈值电压约为0.2V，导通时电压0.3V。正向特性曲线近似指数曲线。外加反向电压时，PN结处于截止状态。1、温升使反向电流增加很快；2、反向电流很小且稳定。（2）反向特性（截止）1.2.2半导体二极管的伏安特性（3）反向击穿反向电压大于击穿电压（UBR）时，反向电流急剧增加。原因为电击穿。1、强外电场破坏键结构；2、获得大能量的載流子碰撞原子产生新的电子空穴对。如无限流措施，会造成热击穿而损坏。25（1）最大整流电流IFM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UBR的一半）。（4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。（5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。理想二极管：正向导通时为短路特性，正向电阻为零，正向压降忽略不计；反向截止时为开路特性，反向电阻为无穷大，反向漏电流忽略不计。1.2.3半导体二极管的主要参数261.3整流电路直流稳压电源的组成：u1u2u3u4u5ttttt变压整流滤波稳压u1u2u3u4u50000027二极管应用范围很广，主要是利用二极管的单相导电性，可用于整流、检波、开关元件等。一些特殊工艺制造的二极管还有更多更好的作用。利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路，按输出波形又可分为半波整流电路和全波整流电路。目前广泛使用的是桥式（全波）整流电路。281.3.1单相半波整流电路优点：电路结构简单。缺点：输出电压脉动系数大用途：可以用脉动电流的地方，如电镀、蓄电池充电等。ωtu0π2π3π4πωt0π2π3π4πuo+u－+u1－VD(a)电路(b)波形+uo－RL29当u为正半周时，二极管VD承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io=id。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即uo=u，输出电压uo的波形幅度与u相同。ωtu0π2π3π4πωt0π2π3π4πuo+u－+u1－VD(a)电路(b)波形+uo－RL30当u为负半周时，二极管VD承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压uo=0，变压器副边电压u全部加在二极管VD上，UVD=um。ωtu0π2π3π4πωt0π2π3π4πuo+u－+u1－VD(a)电路(b)波形+uo－RL31单相半波整流电压的平均值为：o0122sin()0.452DUUtdtUU流过负载电阻RL的电流平均值为：ooLL0.45DDUUIRR流经二极管的电流平均值与负载电流平均值相等，即：DoL0.45UIIR二极管截止时承受的最高反向电压为u的最大值，即：RMm2UuU32例有一单相半波整流电路，如图5-2（a）所示。已知负载电阻750LR，变压器副边电压20VU，试求UDo、IDo，并选用二极管。解o0.450.45209(V)DUUooL90.012(A)12(mA)750DDUIRDo12(mA)DIIDRM222028.2(V)UU查半导体手册，二极管可选用2AP4，其最大整流电流为16mA，最高反向工作电压为50V。为了使用安全，二极管的反向工作峰值电压要选得比UDRM大一倍左右。331.3.2单相桥式整流电路（常用整流电路）可以得到比较平滑的整流电流。+u1－+u2－D4D3D1D2RL+uo－(a)原理电路ab+u1－+u－RL+uo－(b)简化画法34u为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：a→D1→RL→D3→b。abVD3+u1－+u－VD1RL+u