《電工電子技術(shù)》全套課件第5章常用半導(dǎo)體器件

1、5.1 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?5.2 半導(dǎo)體二極管,5.3 穩(wěn)壓二極管,5.6 光電器件,5.4 半導(dǎo)體三極管,5.5 絕緣柵場效應(yīng)管,本章學(xué)習(xí)目標,理解電子和空穴兩種載流子及擴散運動和漂移運動的概念。 掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?掌握二極管的伏安特性、主要參數(shù)及主要應(yīng)用場合。 掌握穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用、主要參數(shù)及應(yīng)用。 理解三極管的工作原理、特性曲線、主要參數(shù)、放大作用和開關(guān)作用。 會分析三極管的三種工作狀態(tài)。 理解場效應(yīng)管的恒流、夾斷、變阻三種工作狀態(tài)，了解場效應(yīng)管的應(yīng)用,5.1 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?5.1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,導(dǎo) 體: 自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì).例如金屬,絕緣體：電阻率很高的

2、物質(zhì)，幾乎不導(dǎo)電;如橡皮、陶瓷、塑料和石英等,半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)， 例如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等,半導(dǎo)體的特點,當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變,1. 本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理,純凈的半導(dǎo)體。如：硅和鍺,1）最外層四個價電子,2）共價鍵結(jié)構(gòu),共價鍵共用電子對,4表示除去價電子后的原子,共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)

3、成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體,3）在絕對0度和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體,4）在熱或光激發(fā)下，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴,空穴,束縛電子,自由電子,在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子,5）自由電子和空穴的運動形成電流,可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理,本征半

4、導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴,溫度越高載流子的濃度越高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度,歸納,2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體使某種載流子濃度大大增加,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì),1）N型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體（四價）中摻入少量的五價元素磷，使自由電子濃度大大增加,多數(shù)載流子（多子）：電子。取決于摻雜濃度,少數(shù)載流子（少子）：空穴。取決于溫度,N型半導(dǎo)體,多余電子,磷原子,2）P型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體（四價）中摻入少量的三價元素硼，使空穴濃度大大增加,多數(shù)載流子（多子）：空穴。取決于摻雜濃度,少數(shù)載流子（少子）：電子。取決于溫度,空穴,硼原子,

5、歸納,3、雜質(zhì)半導(dǎo)體中起導(dǎo)電作用的主要是多子,4、N型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子； P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子,1、雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多數(shù)載流子和少數(shù)載流子（簡稱多子、少子,2、雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量取決于摻雜濃度，少數(shù)載流子的數(shù)量取決于溫度,5、雜質(zhì)半導(dǎo)體對外并不顯示電性,雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,5.1.2 PN 結(jié)的形成,在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié),因濃度差 多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū),空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場,內(nèi)電場促使少子漂移,內(nèi)電場阻止多子擴散,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)

6、體,空間電荷區(qū),PN結(jié)處載流子的運動,擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬,內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄,所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變,空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),1） PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況,外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性,2. PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況,外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加 強了內(nèi)電

7、場。內(nèi)電場對多 子擴散運動的阻礙增強， 擴散電流大大減小。此時 PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的 作用下形成的漂移電流大 于擴散電流，可忽略擴散 電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性,在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流,空間電荷區(qū)中沒有載流子,空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙多子（ P中的空穴、N中的電子） 的擴散運動,P中的電子和N中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的漂移電流很小,空間電荷區(qū)中內(nèi)電場推動少子（ P中的電子、N中的空穴） 的漂移運動,5.1.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)加正向電壓（正向偏置

8、）： P區(qū)接電源的正極、N區(qū)接電源的負極,PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）： P區(qū)接電源的負極、N區(qū)接電源的正極,PN結(jié)正向偏置,P,N,_,內(nèi)電場被削弱， 多子的擴散加強 能夠形成較大的 擴散電流,PN結(jié)反向偏置,N,P,_,內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?正向特性,反向特性,歸納,P（+），N（-），外電場削弱內(nèi)電場，結(jié)導(dǎo)通，I大,I的大小與外加電壓有關(guān),P（-），N（+），外電場增強內(nèi)電場，結(jié)不通，I反很小,I反的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度有關(guān),5.2 半導(dǎo)體二極管,5.2.1 基本結(jié)構(gòu),PN結(jié) + 管殼和引線,陽

9、極,陰極,符號,VD,半導(dǎo)體二極管,半導(dǎo)體二極管,半導(dǎo)體二極管,5.2.2 伏安特性,死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V,導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V,反向擊穿電壓U(BR,正向特性,反向特性,U死區(qū)電壓，導(dǎo)通；UI,I反很小，與溫度有關(guān)；U擊穿電壓，擊穿導(dǎo)通；I,5.2.3 主要參數(shù),1.最大整流電流 IOM,2.最大反向工作電壓URM,二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流,二極管正常工作時允許承受的最大反向工作電壓。手冊上給出的最高反向工作電壓URM一般是UBR的一半,3. 最大反向電流 IRM,指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明

10、管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍,1. 理想二極管,U 0，VD導(dǎo)通；UD=0，I取決于外電路；相當(dāng)于一個閉合的開關(guān),U 0，VD截止；I=0， UD（負值）取決于外電路；相當(dāng)于一個斷開的開關(guān),5.2.4 應(yīng)用舉例,2.二極管的應(yīng)用,電路如圖示：已知E=5V， ui=10sint V,解,此類電路的分析方法,當(dāng)D的陽極電位高于陰極電位時，D導(dǎo)通，將D作為一短路線,當(dāng)D的陽極電位低于陰極電位時，D截止，將D作為一斷開的開關(guān),將二極管看成理想二極管,5V,削波,求： uO的波形,設(shè)=RC tp，

11、求uo的波形,電路如圖示：已知 VA=3V VB=0V 求：VF=,解,此類電路的分析方法,將二極管看成理想二極管,當(dāng)幾個二極管共陽極或共陰極連接時，承受正向電壓高的二極管先導(dǎo)通,VDB通， VF=0V,箝位,隔離,5.3 穩(wěn)壓二極管,UZ,IZ,曲線越陡，電壓越穩(wěn)定,1.結(jié)構(gòu)和符號：結(jié)構(gòu)同二極管,2.伏安特性,穩(wěn)壓值,同二極管,VDZ,穩(wěn)壓誤差,3.主要參數(shù),1）穩(wěn)定電壓 UZ,2）動態(tài)電阻,3）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin,4）最大允許功耗,UZ,IZmin,IZmax,4.穩(wěn)壓管與二極管的主要區(qū)別,穩(wěn)壓管比二極管的反向特性更陡,穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一

12、只電阻,電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用,已知圖示電路中，UZ=6V，最小穩(wěn)定電流IZmin=5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA，負載電阻RL=600 ，求限流電阻R的取值范圍,R,IR,解,由,得,5. 4 半導(dǎo)體三極管,5.4.1 三極管的基本結(jié)構(gòu),NPN型,PNP型,基區(qū)：較薄，摻雜濃度低,集電區(qū)：面積較大,發(fā)射區(qū)：摻 雜濃度較高,發(fā)射結(jié),集電結(jié),1. 放大狀態(tài),5.4.2 三極管的工作原理,放大的條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏,EB保證發(fā)射結(jié)正偏，ECEB保證集電

13、結(jié)反偏,進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IB ，多數(shù)擴散到集電結(jié),EB,RB,Ec,發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE,從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進入集電結(jié)而被收集，形成IC,EB,RB,Ec,IC,IC與IB之比稱為電流放大倍數(shù),靜態(tài)電流放大系數(shù),動態(tài)電流放大系數(shù),通常,NPN型三極管,PNP型三極管,注意,只有：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，晶體管才能工作在放大狀態(tài)。內(nèi)部條件是制造時使基區(qū)薄且摻雜濃度低，發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠高于集電區(qū),2. 飽和狀態(tài),當(dāng)三極管的UCEUBE時，BC結(jié)處于正向偏置，此時，即使再增加IB，IC也不會增加了。飽和狀態(tài),飽和

14、的三極管相當(dāng)于一個閉合的開關(guān),3. 截止狀態(tài),當(dāng)三極管的UBEUT時，BE結(jié)處于反向偏置。 截止狀態(tài),飽和的三極管相當(dāng)于一個斷開的開關(guān),5.3.4 三極管的特性曲線,實驗線路,輸入特性,輸出特性,發(fā)射結(jié)電壓UBE與基極電流IB的關(guān)系,集電極電流IC與管壓降UCE的關(guān)系,死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V,1）輸入特性,工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V,2）輸出特性,IC(mA,當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB,此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū),此區(qū)域UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE0.3V稱為飽和區(qū),此區(qū)域中 : IB=0,

15、IC=ICEO,UBE 死區(qū)電壓，稱為截止區(qū),特性歸納,輸入特性,同二極管的正向特性,UBE IB,輸出特性,一組曲線（一個IB對應(yīng)一條曲線,UBE 0， UCE UBE,發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏,IC = IB,電流放大作用,UBE0， IB 0,發(fā)射結(jié)反偏,UBE 0， UCE UBE,IC = IB,發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏,無電流放大作用,放大區(qū),截止區(qū),飽和區(qū),5.4.4 主要參數(shù),直流電流放大倍數(shù),1.電流放大倍數(shù),交流電流放大倍數(shù),兩者非常接近，通常用作,一般為 20 200,2.集-射極反向截止電流ICEO,基極開路時的集電極電流。隨溫度變化,所以集電極電流應(yīng)為： IC= IB+I

16、CEO,而ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差,3.集電極最大電流ICM,集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM,4.集電極最大允許功耗PCM,PC=ICUCE,必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC有限制,PCPCM,5.集-射極反向擊穿電壓,當(dāng)集-射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO,6.集電極最大允許功耗PCM,集電極電流IC流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為,PC=ICUCE,必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC有限制,

17、PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作區(qū),5.5 絕緣柵型場效應(yīng)管,場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流的半導(dǎo)體器件。 其作用有放大、開關(guān)、可變電阻,特點：輸入電阻很大；便于集成,5.5.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理,P型硅襯底,SiO2絕緣層,兩個N區(qū),襯底引線,1. 基本結(jié)構(gòu),N溝道增強型,金屬鋁,導(dǎo)電溝道,N溝道耗盡型,預(yù)埋了導(dǎo)電溝道,P溝道增強型,P溝道耗盡型,預(yù)埋了導(dǎo)電溝道,2. MOS管的工作原理,以N溝道增強型為例,UGS=0時,對應(yīng)截止區(qū),UGS0時,感應(yīng)出電子,UTH稱為開啟電壓,UGS較小時，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來，UGS越大此電阻越小,5.5.2 增強型N溝道MO

18、S管的特性曲線,跨導(dǎo)： UGS對ID的控制能力,當(dāng)漏源間電壓U DS 保持一定值時，漏極電流ID與柵源極電壓UGS的關(guān)系曲線,1. 轉(zhuǎn)移特性,當(dāng)柵源間電壓UGS UTH 并保持一定值時，漏極電流ID與漏源極電壓U DS的關(guān)系曲線,區(qū)：UDS較小時,ID隨UDS的增加而增加，相當(dāng)于一個可變電阻,可變電阻區(qū),區(qū)：UDS較大時,ID只隨UGS的變化而變化， UGS一定時， 相當(dāng)于一個壓控恒流源,恒流區(qū),2. 輸出特性曲線,耗盡型N溝道MOS管的特性曲線,耗盡型的MOS管UGS=0時就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷,轉(zhuǎn)移特性曲線,夾斷電壓,輸出特性曲線,不論柵源電壓正、負或0都能控制漏極電流，但一般工作在負柵源電壓狀態(tài),P溝道絕緣柵場效應(yīng)管的工作原理和特性與N溝道場效應(yīng)管完全相同，兩者只是在工作時所加電壓的極性不同，當(dāng)然，產(chǎn)生電流的方向也不同,即：P溝道增強型場效應(yīng)管在,UGS 0時 導(dǎo)通,5.6 光電器件,1.發(fā)光二極管與光電二極管,1）發(fā)光二極管,LED 發(fā)光器件,結(jié)構(gòu)：由能發(fā)光的化合物半導(dǎo)體材料制作成PN結(jié),功能：將電能轉(zhuǎn)換成光能,導(dǎo)通電壓：1 2V,導(dǎo)通電流：幾 幾十毫安，須接限流電阻,注意：光電二極管工作在反向狀態(tài),2）光電二極管,受光器