第1章半導體器件

1、第二部分電子技術模擬電子技術半導體器件（第1章） 交流放大電路（第2章）集成運算放大器（第3章）電源技術（第4章）第1章半導體器件1.11.21.31.4 1.5 1.6半導體的基礎知識半導體二極管硅穩(wěn)壓二極管半導體三極管絕緣柵型場效應管電力半導體器件 第1章 1. 11.1半導體的基礎知識1.1.1本征半導體將純凈的沒有晶格缺陷的半導+4+4+4體單晶稱征硅原子半導體。它是共價鍵結構。+4+4+4價電子零度和沒有外界+4+4+4激發(fā)時,本征半導體不導電。本征半導體的共價鍵結構 第1章 1. 1 在常溫下自由電子和空穴的形成 +4+4+4成對消失復合+4+4+4空穴自由電子本征激發(fā)成對出現(xiàn)+4

2、+4+4 第1章 1. 1在外電場作用下，自由電子和空穴均參與導電?？昭▽щ姷膶嵸|是共價+4+4+4+4+4+4電子移動方向子依次填補空 穴形成電流。 故半導體中有 自由電子和空 穴兩種載流子?？昭ㄒ苿臃较?4+4+4 外電場方向 價電子填補空穴 第1章 1. 11.1.2雜質半導體1. N型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的五價元素， 如磷, 則形成N 型半導體。電子是多數(shù)載流子, 空穴。+4+4+4正離子+4+5+4自由電子+4+4+4 第1章 1. 12. P型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價元素， 如硼，則形成P 型半導體?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子, 電子是少數(shù)載流子。+4+4+4負離子+4

3、+3+4空穴填補空位+4+4+4 第1章 1. 11. 半導體：純凈的、具有完整的晶格結構的半導體單晶2. 半導體的導電特性： 溫度特性：T 10C 半導體的導電能力增加一倍 光照特性：有光照時，半導體的導電能力會增加 摻雜特性：摻入雜質，半導體的導電能力會大大增加3. 雜質半導體特性：兩種載流子導電 與金屬導體的導電特性的差別 N型半導體：多子 自由電子，少子 空穴 P型半導體：少子 自由電子，多子 空穴小結：半導體的導電特性 第1章 1. 11.1.3PN 結的形成PN 結1.利用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上,形成P型半導體區(qū)域和N型半導體區(qū)域,在這兩個區(qū)域的交界處形成了一個PN 結

4、?？臻g電荷區(qū)P 區(qū)N 區(qū)內電場方向 第1章 1. 1在一定的條件下，多子擴散與少子漂移達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來?？臻g電荷區(qū)P 區(qū)N 區(qū)多子擴散少子漂移內電場方向 第1章 1. 12.PN 結的單向導電性a.P區(qū)N區(qū)I內電場方向擴散運動增強，形成較大的正向電流R外電場方向E空間電荷區(qū)變窄 第1章 1. 1b. 外加反向電壓多數(shù)載流子的擴散運動難于進行空間電荷區(qū)變寬P 區(qū)N 區(qū)IR內電場方向外電場方向R少數(shù)載流子越過PN結形成很小的反向電流E 第1章 1.PN結加正向電壓時:具有較大的正向擴散電流(多子擴散運動形成的擴散電流)， 呈現(xiàn)低電阻， PN結導通；PN結加反向電壓時:具

5、有很小的反向漂移電流(在一定的溫度下，由本征激發(fā)產生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關， 所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。 )，呈現(xiàn)高電阻， PN結截止。結論：PN結具有單向導電性。 第1章 1. 21.2半導體二極管1.2.1二極管的基本結構正極引線二氧化硅保護層正極引線觸絲正極PN結PN結N型鍺支架外殼PN型硅負極負極引線負極引線二極管的符號面接觸型二極管點接觸型二極管 第1章 1. 第1章 1. 21.2.2二極管的伏安特性I / mAI / mA1284600400200正向特性100 4050 800.40.80反向擊穿特性00.40.8U / VU / V

6、0.10.2 0.1 0.2死區(qū)電壓反向特性硅管的伏安特性鍺管的伏安特性表達式UT 溫度電壓當量，常溫下UT = 26 mVI = IS (e U/UT 1) 第1章 1. 21.2.3二極管的主要參數(shù) 最大整流電流 IF ：的最大正向平均電流 最高反向工作電壓 UDRM = (1/2 2/3) UBR 反向電流 IR：在給定電壓下的反向電流 小結：PN結的單向導電性 I / mA外加正向電壓：PN結導通結電阻很小，電流大外加反向電壓：PN結截止結電阻很大，電流0UBRU / VIFIR 第1章 1. 2理想二極管的等效電路UD+ID正向偏置(UD 0)DDI / mA反向偏置(UD 0)正向

7、特性反向特性DU / V 第1章 1. 21.2.4二極管的應用二極管的應用范圍很廣, 它可用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件。 整流：將交流電 直流電； 限幅：將號幅度限制在一定數(shù)值上； 元件保護：為電感性元件電流提供泄放通路，避免過電壓燒壞元件，通常稱為續(xù)流二極管。 第1章 1. 2二極管的應用舉例1. 二極管鉗位和限幅例1：下圖中, 已知: VA= 3.3V, VB= 0V, DA、DB為鍺管，求輸出端Y的電位并說明二極管的作用。解： DA優(yōu)先導通，則VY = 3.3 0.3 = 3VDA導通后, DB因反偏ADAYB而截止，起DA起鉗位作用,作用；將Y端DBR的

8、電位鉗制在 +3V。12V電路為二極管或門。 第1章 1. 2ui / V例2:下圖是二極管限幅電路， 設 ui = 6 sinw t V，E= 3V， 若D 為理想二極管。63w tp2p試：畫出 u 和 u 的波形。o+ uR R6uo /V+R+uo+uiuDD30w tp2p3VE6uR /V符合 KVLui = uR + uo30w tp2p 第1章 1. 2例3：雙向限幅電路(設D 為理想二極管)+ uR ui / VR630+ui1E3Vuow tpE2p3VD26uo /V輸出電壓uo 的正、負半周均被削波。303p2ptu +DD+ 第1章 1. 22. 二極管整流將交流電變

9、成直流電稱為整流。（1）單相半波整流電路u22 U2ouo2 U2oiw tp2p3pDTio+uow t+p2p3puDoIm o uDoRLuu21w tp2p3pw tp2p3p2 U2 第1章 1. 2DTio+uou22 U2+uD +u1+u2RLt0p2p3p uo2 U2Uo0ioIm0uD0u2=2U2sinwt電路計算w tu 的電壓平均值：p3p2po1U=2Usint dto220w tp2p3p2 U 2=02 U- coswt =22w tp2p3p2 U2Uo = 0.45 U2 第1章 1. 2輸出電壓的平均值： Uo = 0.45 U2= Uo= 0.45U2

10、負載電流的平均值： IoRRLL二極管截止時所承受的最高反向電壓為：=UDRM2 U2（2）單相橋式整流電路整流電路中最常用ioD2RBD1 A的是單相橋式整流電路， +uou1u2L-它由四個二極管D1 D4-D4D3接成電橋的形式。 第1章 1. 2io+工作原理D2RBD3D1 A+u1-+uouu2L2-D4t0uo在u2的正半周，D1和D3導通，D2 和D4截止(相當于開路) 。t0uD0uD1、uD3io+DD2RL1At+uouu21u、u+-B-D2D4D4D3在一個周期內，通 過電阻的電流方向相同， 在負載上得到的是全波 整流電壓uo。在u2的負半周，D2 和 D4導通, D

11、1和D3 截止(相當于開路)， 第1章 1. 2忽略二極管D的正向壓降， 認為uo 的波形和u 的正半波是相同的。輸出電壓的平均值為u2Uw t3po= 102U sinwtd (wt )Uo22UUooioIm= 22 U= 0.9Uw t22p Uo = 0.9U2I0=U0/RLw toU 是變壓器副方正弦電壓的有效值pp2截止管所承受的最高反向電壓為uDouD3 uD1w tuD2uD4-2U二極管中的平均電流ID = 1 Io2U DRM =2U 2puO2ppp2p22p3p3p3 第1章 1. 2下圖是單相橋式整流電路的簡化畫法io+uo-+uRL-整流橋符號注意橋式整流電路輸出

12、電壓的極性io+u-uo+RL-整流橋符號 第1章 1.整流電路計算公式電路類型電路參數(shù)單相半波整流電路單相橋式整流電路負載上輸出電壓平均值UoUo= 0.45U2Uo = .2二極管截止時所承受的最高反向電壓UDRMUDRM=2U 2UDRM=2U 2負載電流平均值 IoI= Uo = 0.45U2oRRLLI= Uo = 0.9U2oRRLL二極管的平均電流 IDID = IoI=1 ID2o注：U 2 為變壓器副方交流電壓有效值。 第1章 1. 2例：已知負載電阻RL = 80 W，負載電壓Uo = 110V。，= UO= 110 A = 1.4A解:負載電流IOR80LI= 1 I每個

13、二極管通過的平均電流= 0.7ADO2= Uo= 110 V = 122V變壓器副邊電壓的有效值為U20.90.9=2 122V =172.5VUDRM因此可選用，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為200V晶體二極管。 第1章 1. 2二極管導通時給電，時電容向負載放電；濾波后輸出電壓uo的波形變得平緩,平均值提高。3. 濾波電路（1）電容濾波半波整流電容濾波電路DTio+u+u+CuD+uo估算公式:Uo = 1.0U2RL12= 2U2 UDRM22 U2uo0p3pwt2pu2 第1章 1. 2放電時間常數(shù)t = RLC 越大, 脈動越小, 輸出電壓的平均值越高。一般要求T全波整流

14、電容濾波電路io+u+uu+CuRL12R C (3 5)Co-L2Uo = 1.2U2uo2 U2=U DRM2U 2tU 時， u =U ；io，DZZZ0 0，UBC VB VERBUBBUBE輸入回路輸出回路公共端通常NPN型硅管的發(fā)射結電壓PNP型鍺管的發(fā)射結電壓UBE= 0.2V 0.3V。UBE= 0.6V 0.7V， 第1章 1. 4三極管具有電流作用的外部條件 :（1）發(fā)射結正向偏置； （2）集電結反向偏置。共發(fā)射極接法放大電路ICICRCRUCUCCIBCC+I+UCEPCN CBBNBUCEPR+PERBNEBUBEUBEUBBUBB對NPN 型管應滿足：對PNP 型管應

15、滿足： UBE 0 即VC VB 0 ；UBC VB VE 第1章 1. 4電子流向電源正極形成 IC集電區(qū)收集電子IC電源正極拉走電子，補充被復合的空穴,形成 IBC電子NPRBCRUCCBIBNUBB電子在基區(qū)擴散與復合發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子IEE電源負極向發(fā)射區(qū)補充電子形成發(fā)射極電流IE三極管的電流放大示意圖 第1章 1. 4由于基區(qū)很薄，摻雜濃度又很小，電子在基區(qū)擴散的數(shù)量遠遠大于復合的數(shù)量。所以有：IC IB所以說三極管具有電流DIC DIB同樣有:作用, 也稱之為電流放大作用。IC+RCI直流電流放大系數(shù)CUCCBBICUCEb =+RBEIBUBE交流電流放大系數(shù)IE= DI CU

16、BBDI BI=ICBIE = IB + IC 第1章 1. 41.4.3 三極管的特性曲線1. 三極管的輸入特性IBIB = f (UBE)UCE = 常數(shù)UCE1VIC+UCERCIBCUCCBREBUBE0UIEBE死區(qū)電壓UBB輸入回路輸出回路+ 第1章 1. 42.三極管的輸出特性IC = f (UCE)I= 常數(shù)BICIB = 60AIB增加IB = 40AIB 減小IB = 20A0UCE 第1章 1. 4三極管輸出特性上的三個工作區(qū)域 臨界飽 和線I/ mAC80 A放60 A40 A區(qū)20AIB= 0 AUCE /V0U小IC 小截止區(qū)CE飽 和 區(qū) 第1章 1. 43. 三

17、極管的三個區(qū)對應三極管的三種工作狀態(tài)三極管的放大區(qū)對應三極管的放大狀態(tài) (NPN)（1） 發(fā)射結正向偏置；（2） 集電結反向偏置。VC VB VE且 IC = b IB三極管的飽和區(qū)對應三極管的飽和狀態(tài)發(fā)射結、集電結均正向偏置UCE =UCC - RCIC且ICS UC /RCUCE 0UCE UBEIB增加時，IC基本不變，晶體管C、E 之間相當于短路= ICSIBSb三極管的截止區(qū)對應三極管的截止狀態(tài)集電結、發(fā)射結均反向偏置IB= 0、IC 0、UCE UCC即UBE 0C、E之間相當于開路 第1章 1.NPN型晶體管飽和狀態(tài)條 （1）發(fā)射結正向偏置；+UCC（2）集電結正向偏置。件RCC

18、UCE b = VCES 0.3V飽和正偏正偏0.7VRC b VCC 0截止反偏反偏0飽和條件I I= ICS= VCC BBSRC 第1章 1. 41三.4極.4管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)1.4.4ICb =(1) 直流流大系數(shù)IBD ICD IB(2) 交流電流放大系數(shù)=IC = ICEO + b IBICM穿透電流2.3.4.5.ICEO集電極最大電流集-射反向擊穿電壓 U(BR)極CEO限參數(shù)PCM極限參數(shù)1.4.5 三極管的微變等效電路 第1章 1. 4三極管在小信號(微變量)情況下工作時,可以在靜態(tài)工作點附近的小范圍內用直線段近似地代替三極管的特性曲線， 三極管就可以等效為一個線性元件。這樣就可以將非線性元件三極管所組成的放大電路等效為一個線性電路。1. 三極管的微變等效電路在晶體管的輸入特性曲線上，將工作UCEIB點Q附近的工作段近似地看成直線， 當UCE為常數(shù)時，rUBE與rIB之比DUBEubeQ=r