电子技术教案5

常用半导体器件第5章5.1PN结及其单向导电性5.2半导体二极管5.3稳压二极管5.6光电器件常用半导体器件第5章5.4半导体三极管5.5绝缘栅场效应管本章学习目标理解电子和空穴两种载流子及扩散运动和漂移运动的概念。掌握PN结的单向导电性。掌握二极管的伏安特性、主要参数及主要应用场合。掌握稳压管的稳压作用、主要参数及应用。理解三极管的工作原理、特性曲线、主要参数、放大作用和开关作用。会分析三极管的三种工作状态。理解场效应管的恒流、夹断、变阻三种工作状态，了解场效应管的应用。5.1PN结及其单向导电性5.1.1半导体基础知识导体:自然界中很容易导电的物质.例如金属。绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电;如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等半导体的特点当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。1.本征半导体GeSi本征半导体的导电机理纯净的半导体。如：硅和锗1）最外层四个价电子。2）共价键结构+4+4+4+4共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子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，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+43）在绝对0度和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。+4+4+4+44）在热或光激发下，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，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。+4+4+4+4空穴束缚电子自由电子在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。+4+4+4+45）自由电子和空穴的运动形成电流可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。温度越高载流子的浓度越高本征半导体的导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。归纳2.杂质半导体杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。在本征半导体中掺入某些微量杂质。1）N型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子2）P型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：电子。取决于温度。+4+4+3+4空穴硼原子归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子；P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。◆◆◆◆杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体5.1.2PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区1）PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。2.PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中内电场阻碍多子（P中的空穴、N中的电子）的扩散运动。P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。空间电荷区中内电场推动少子（P中的电子、N中的空穴）的漂移运动。5.1.3PN结的单向导电性PN结加正向电压（正向偏置）：P区接电源的正极、N区接电源的负极。PN结加反向电压（反向偏置）：P区接电源的负极、N区接电源的正极。PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。I正PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。I反PN结的单向导电性正向特性反向特性归纳◆◆P（+），N（-），外电场削弱内电场，结导通，I大；I的大小与外加电压有关；P（-），N（+），外电场增强内电场，结不通，I反很小；I反的大小与少子的数量有关，与温度有关；5.2半导体二极管5.2.1基本结构PN结+管壳和引线PN阳极阴极符号：VD半导体二极管半导体二极管半导体二极管5.2.2伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)正向特性：EVDI反向特性：EVDI反U死区电压，不通；U死区电压，导通；UII反很小，与温度有关；U击穿电压，击穿导通；I5.2.3主要参数1.最大整流电流IOM2.最大反向工作电压URM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR（反向击穿电压）的一半。3.最大反向电流IRM指二极管加反向峰值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，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。1.理想二极管U0，VD导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一个闭合的开关EVDIUDEIUU0，VD截止；I=0，UD（负值）取决于外电路；相当于一个断开的开关EVDI反UDEI反U5.2.4应用举例2.二极管的应用电路如图示：已知E=5V，ui=10sintVRVDEuiuO解：此类电路的分析方法：当D的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将D作为一短路线；当D的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将D作为一断开的开关；将二极管看成理想二极管uituOt10V5V5V削波例1求：uO的波形RRLuiuRuotttuiuRuo设=RCtp，求uo的波形tp例2电路如图示：已知VA=3VVB=0V求：VF=？解：此类电路的分析方法：将二极管看成理想二极管。当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。VDB通，VF=0VRVDAAVDBB+12VF箝位隔离例35.3稳压二极管UIUZIZIZmaxUZIZ曲线越陡，电压越稳定。1.结构和符号：结构同二极管2.伏安特性：稳压值同二极管VDZ稳压误差+-+-3.主要参数1）稳定电压UZ2）动态电阻ZZIUZrdd=3）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。4）最大允许功耗maxZZZMIUPUIUZIZminIZmax4.稳压管与二极管的主要区别稳压管运用在反向击穿区二极管运用在正向区；稳压管比二极管的反向特性更陡。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是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。UOVDZRRL+－已知图示电路中，UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大稳定电流IZmax=25mA，负载电阻RL=600Ω，求限流电阻R的取值范围。RIRUOVDZRLILIDZ+－UI=10V解：1046.064RRRURUUIIILZZILRDZ由：maxmin104ZZIRI得：227R114RuiO△u△iIZUZIZM例45.4半导体三极管5.4.1三极管的基本结构NPN型PNP型BEC基极发射极集电极NNPPPNBEC发射极集电极基极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高BEC基极发射极集电极NNPBEC基极发射极集电极NNP发射结集电结1.放大状态BECNNPEBRBEcRC5.4.2三极管的工作原理放大的条件：发射结正偏，集电结反偏EB保证发射结正偏，ECEB保证集电结反偏。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。IEIBRCIB从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成IC。BECNNPEBRBEcIEICIBICRCIBBCIIEBCIIIIC与IB之比称为电流放大倍数BCII静态电流放大系数：动态电流放大系数：BCII通常：BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管注意！只有：发射结正偏，集电结反偏，晶体管才能工作在放大状态。CBEVVVCBEVVV2.饱和状态当三极管的UCEUBE时，BC结处于正向偏置，此时，即使再增加IB，IC也不会增加了。饱和状态饱和的三极管相当于一个闭合的开关V.~.UUREI,IICESCECCCBC30103.截止状态当三极管的UBEUT时，BE结处于反向偏置。截止状态饱和的三极管相当于一个断开的开关00CBI,I5.3.4三极管的特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB实验线路：输入特性：输出特性：发射结电压UBE与基极电流IB的关系；集电极电流IC与管压降UCE的关系。死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V（1）输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VUBEIB工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V（2）输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=02