電子電路基礎(chǔ) 第二章 半導(dǎo)體器件.ppt

1、2020年10月11日星期日,54-1,本章提要：半導(dǎo)體二極管和晶體管是常用的半導(dǎo)體器件。它們的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)是學(xué)習電子技術(shù)和分析電子電路的基礎(chǔ)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。因此，本章重點討論以下幾個問題： 1）半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性； 2）PN結(jié)的形成及其導(dǎo)電特性； 3）半導(dǎo)體二極管的工作原理及其特性曲線、主要參數(shù)及應(yīng)用； 4）特殊二極管； 5）晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。 作為了解的內(nèi)容，介紹： 1）場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)； 2）晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)及應(yīng)用。 學(xué)習的重點是半導(dǎo)體器件的工作原理、特性曲線、

2、主要參數(shù)及其應(yīng)用。,第二章 半導(dǎo)體器件,2020年10月11日星期日,54-2,物體按照物質(zhì)的導(dǎo)電能力分類：,導(dǎo) 體：導(dǎo)電能力強,半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間,絕緣體：不導(dǎo)電,一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,（一）半導(dǎo)體的特點,1半導(dǎo)體的導(dǎo)電率可以因加入雜質(zhì)而發(fā)生顯著的變化。例如在室溫 時，純硅中摻入一億分之一的雜質(zhì)(稱摻雜)，其導(dǎo)電率會增加幾百倍。,2溫度的變化，也會使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生顯著的變化，利用這種熱敏效應(yīng)人們制作出了熱敏元件。但另一方面，熱敏效應(yīng)會使半導(dǎo)體元、器件的熱穩(wěn)定性下降。,3. 光照不僅可以改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，而且可以產(chǎn)生電動勢，這就是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。利用光電效應(yīng)可以制成光

3、電晶體管、光電耦合器和光電池等。,第二章 半導(dǎo)體器件 第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,2020年10月11日星期日,54-3,第二章 半導(dǎo)體器件 第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,（二）本征半導(dǎo)體 沒有雜質(zhì)、而且晶體結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體（純凈半導(dǎo)體）。,共價鍵,價電子,硅原子,自由電子,空穴,復(fù)合,1硅和鍺晶體的共價鍵結(jié)構(gòu),2. 半導(dǎo)體中的兩種載流子自由電子和空穴,2020年10月11日星期日,54-4,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,在本征半導(dǎo)體中，兩種載流子成對出現(xiàn)，成對消失，形成動態(tài)平衡。因此整個原子是電中性的。溫度對載流子的影響很大，溫度升高時，載流子的數(shù)量增加。,自由電子帶負電荷，空穴

4、帶正電荷。,自由電子和空穴都是載運電流的粒子，統(tǒng)稱為載流子。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特點：當半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子作定向運動所形成的電子電流，一是仍被原子核束縛的價電子(注意，不是自由電子）遞補空穴所形成的空穴電流。在半導(dǎo)體中，同時存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。,2020年10月11日星期日,54-5,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,（三）雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中，人為地摻入少量其他元素(稱雜質(zhì))，可以使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱作雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同

5、。可分為兩種：,N型半導(dǎo)體：參雜五價元素,P型半導(dǎo)體：參雜三價元素,2020年10月11日星期日,54-6,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,1N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入少量的五價磷元素，使每一個五價元素取代一個四價元素在晶體中的位置，可以形成N型半導(dǎo)體。,多余電子,五價磷,本征激發(fā),電子空穴對,自由電子數(shù)多于空穴數(shù),2020年10月11日星期日,54-7,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,2P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入少量三價元素，可以形成P型半導(dǎo)體，常用于摻雜的三價元素有硼、鋁和銦。,空穴,三價硼,本征激發(fā),電子空穴對,空穴數(shù)多于自由電子數(shù),2020年10月11日星期日,

6、54-8,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,在N型半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)大于空穴數(shù)， 自由電子-多數(shù)載流子(多子)。 空穴-少數(shù)載流子(少子)。 在P型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)大于自由電子數(shù)， 空穴-多子。 自由電子-少子。 不論N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但是整個晶體仍然是不帶電的。,2020年10月11日星期日,54-9,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,二、P N結(jié) 1、PN結(jié)的形成,內(nèi)建電場,多子擴散,少子漂移,(1)內(nèi)建電場對多數(shù)載流子的擴散運動起到阻礙作用； (2)內(nèi)建電場可推動少數(shù)載流子越過空間電荷區(qū)向?qū)Ψ狡啤?2020年10月11日星期日,54-10

7、,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,2PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?外加反向電壓,外加電場,內(nèi)電場,I0,少子漂移,2020年10月11日星期日,54-11,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,外加正向電壓,外加電場,內(nèi)電場,I,多子擴散,2020年10月11日星期日,54-12,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,結(jié)論：,利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，可以制成半?dǎo)體二極管及各種半導(dǎo)體元件,(1)PN結(jié)正偏：,PN結(jié)導(dǎo)通,空間電荷區(qū)變窄,電阻,有利于多子擴散,電流,(2)PN結(jié)反偏：,PN結(jié)截止,電阻,有利于少子漂移,電流,空間電荷區(qū)變寬,2020年10月11日星期日,54-

8、13,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,三、半導(dǎo)體二極管 二極管通常有點接觸型和面接觸型兩種,陽極A,陰極K,V,點接觸型,面接觸型,2020年10月11日星期日,54-14,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,2020年10月11日星期日,54-15,二極管的管壓降與其電流的關(guān)系 曲線，稱為二極管的伏安特性曲線,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,1二極管的伏安特性,硅管,鍺管,2020年10月11日星期日,54-16,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,a點,Uon,b點,I=ISRexp(U/UT)-1,c點,線性區(qū),d點,反向擊穿區(qū),二極管管壓降,UBR,死區(qū)電壓 硅

9、管約0.5V鍺管約0.1V,非線性區(qū),硅管為0.60.8V； 鍺管為0.10.3V,截止區(qū),反向擊穿電壓,反向飽和電流,2020年10月11日星期日,54-17,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,2二極管的主要參數(shù) 1) 最大整流電流 IFM 指二極管長期工作時，允許通過的最大正向平均電流。當電流超過允許值時，將由于PN結(jié)的過熱，而使二極管損壞。 2) 反向電流IR 指在一定環(huán)境溫度條件下，二極管承受反向工作電壓、又沒有反向擊穿時，其反向電流的值。它的值愈小，表明二極管的單向?qū)щ娞匦杂?。溫度對反向電流影響較大，經(jīng)驗值是，溫度每升高10，反向電流約增大一倍。使用時應(yīng)加注意。 3) 反向工

10、作峰值電壓URM 指管子運行時允許承受的最大反向電壓。通常取反向擊穿電壓的二分之一至三分之二。,2020年10月11日星期日,54-18,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,3二極管的近似特性和理想特性 由二極管的伏安特性曲線可見，由于二極管正向?qū)〞r電壓變化很小，而反向截止時，電流很小。對于所分析的電路來說，將它們忽略時，產(chǎn)生的誤差很小。故通常可用理想二極管的特性代替二極管的伏安特性。,近似特性,理想特性,UD,2020年10月11日星期日,54-19,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,近似特性：（當電源電壓與二極管導(dǎo)通時正向電壓降相差不多時） 二極管的電壓小于導(dǎo)通正向電壓時，二極

11、管截止，電流為0； 二極管導(dǎo)通后，正向電壓降恒為UD。 理想特性：（當電源電壓遠大于正向電壓降時） 加正向電壓時，二極管導(dǎo)通，正向電壓降和正向電阻為0，（二極管相當于短路） 加反向電壓時，二極管截止，反向電流為0，反向電阻無窮大。（二極管相當于開路）,2020年10月11日星期日,54-20,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,0,t,0,t,E,E,t1,t2,時,二極管截止,（0t1與t2以后）,時,二極管導(dǎo)通,（t1t2）,例2-1 下圖所示電路中，二極管為理想二極管。輸入信號為ui=10sintV，E=5V。試畫出輸出信號u0的波形。,2020年10月11日星期日,54-21,例2

12、-2 下圖中的R和C構(gòu)成一微分電路。當輸入電壓ui如右圖中所示時，試畫出輸出電壓uo的波形。設(shè)uC(0)=0。,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,2020年10月11日星期日,54-22,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,例2-3 下圖所示電路中，輸入端A的電位UA=+3V，B的電位為UB=0V。求輸出端Y的電位。電阻R接負電源-12V。,2020年10月11日星期日,54-23,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,四、特殊二極管 1. 穩(wěn)壓二極管,2020年10月11日星期日,54-24,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。由

13、于它在電路中與適當數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。,IZmin,IZmax,鍺管,硅管,2020年10月11日星期日,54-25,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有下面幾個： 1）穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管在正常工作下兩端的電壓。 2）電壓溫度系數(shù) 說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的參數(shù)。 例如電壓溫度系數(shù)為0.095%/，則表示溫度每升高1，它的穩(wěn)壓值將比額定溫度時升高0.095%。,2020年10月11日星期日,54-26,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,3）動態(tài)電阻rZ 穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值。 4）穩(wěn)定電流IZ 穩(wěn)壓管正常工作時

14、的參考電流。 5）最大允許耗散功率PZM 穩(wěn)壓管不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗PZM=UZIZM。即穩(wěn)壓管的額定功耗。,2020年10月11日星期日,54-27,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,當Ui=+20V時，VS1反向擊穿，其穩(wěn)壓值UZ1=6.3V，VS2正向?qū)?，UD2=0.7V，則Uo=+7V；同理Ui=-20V時,Uo=-7V,例2-4 下圖中，已知穩(wěn)壓二極管的UZ=6.3V，當Ui 20V，R=1k時，求U0。已知穩(wěn)壓管的正向壓降UD=0.7V。,2020年10月11日星期日,54-28,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,2、發(fā)光二極管 下圖為發(fā)光二極管發(fā)射電路通過光

15、纜驅(qū)動光電二極管電路。,2020年10月11日星期日,54-29,第二章 半導(dǎo)體器件第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管,2020年10月11日星期日,54-30,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,半導(dǎo)體三極管(簡稱晶體管或三極管)是最重要的一種半導(dǎo)體器件。它的放大作用和開關(guān)作用促使電子技術(shù)飛躍發(fā)展。晶體管的特性是通過特性曲線和工作參數(shù)來分析研究的。為了更好地理解和熟悉管子的外部特性，本節(jié)首先簡單介紹管子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和載流子的運動規(guī)律。,2020年10月11日星期日,54-31,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,2020年10月11日星期日,54-32,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,一、基

16、本結(jié)構(gòu) 晶體三極管的結(jié)構(gòu)，目前最常見的有平面型和合金型兩類。硅管主要是平面型，鍺管都是合金型。,2020年10月11日星期日,54-33,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,晶體三極管分為NPN型和PNP型兩類。,2020年10月11日星期日,54-34,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,二、電流放大原理 晶體管必須滿足一定的偏置條件，才能有電流放大作用。 右圖電路是以NPN型硅三極管接成共射形式（基極回路和集電極回路以發(fā)射極作為公共端）的示意圖。,由圖可見，晶體管的外部偏置條件是：電壓源UBB通過電阻RB提供給發(fā)射結(jié)正向偏置；而電壓源UCC通過電阻RC加到集電極，使集電結(jié)處于反向偏

17、置。,2020年10月11日星期日,54-35,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,2020年10月11日星期日,54-36,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,NPN三極管電流方向及各電流的關(guān)系,IC,ICE,ICBO,IB,IBE,IE,共射電流放大系數(shù),共基電流放大系數(shù),2020年10月11日星期日,54-37,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,結(jié)論,晶體管有電流放大作用。,晶體管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏時，,晶體管為電流控制器件（基極電流控制集電極電流）,參加導(dǎo)電的有自由電子和空穴，故又叫雙極型晶體三極管,NPN,PNP,NPN型與PNP型晶體管電流電壓的參考方向,202

18、0年10月11日星期日,54-38,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,三、晶體管的伏安特性曲線,1輸入伏安特性曲線（NPN）,定義,硅管,晶體管輸入特性與二極管的正向特性一樣，也有一段死區(qū)。只有在發(fā)射結(jié)外加電壓大于死區(qū)電壓時，晶體管才會出現(xiàn) 。,硅管的死區(qū)電壓約為,鍺管的死區(qū)電壓約為,晶體管導(dǎo)通后，其發(fā)射結(jié)電壓變化范圍很小,鍺管,2020年10月11日星期日,54-39,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,2輸出特性曲線,定義,(1) 截止區(qū),外部特征：,三極管相當于開路。,外部（偏置）條件：,發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置。,(2) 飽和區(qū),外部特征：,三極管相當于短路。,外部（偏

19、置）條件：,發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置。,2020年10月11日星期日,54-40,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,（3）放大區(qū),飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),恒流特性,外部（偏置）條件：,發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。,外部特征：, 電流恒定, 電流放大,電流控制,2,4,6,iB大iC也大，iB等于0iC也等于0iB控制iC,電壓在很大范圍內(nèi)變化，電流幾乎不變,2020年10月11日星期日,54-41,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,四、主要參數(shù),1電流放大系數(shù),直流 ：,交流 ：,在數(shù)值上,2反向電流,晶體管的極間反向電流是少數(shù)載流子反向漂移形成的，因此，受溫度影響比較嚴

20、重，是反映管子質(zhì)量的指標，極間反向電流越小，管子質(zhì)量越高。,（1）集電極基極間反向飽和電流,(2) 集電極-發(fā)射極間穿透電流,2020年10月11日星期日,54-42,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,3極限參數(shù),(3)集電極最大允許耗散功率PCM,(1)集電極最大允許電流ICM,(2)集電極發(fā)射極反向擊穿電壓BU(BR)CEO,過損耗區(qū),2020年10月11日星期日,54-43,晶體管電極的判別,PNP,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,NPN,1數(shù)字式萬用表量程置于歐姆檔時,“+”端紅表筆輸出電壓的極性為正極, 而“-”端黑表筆輸出電壓的極性為負極。指針式萬用表的電壓極性與之相

21、 反。,2基極可以視為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個PN結(jié)的公共電極。以基極固定于某一測試表筆，而將另一表筆分別和另兩個電極相連。當測得電阻阻值很低時，表示兩個結(jié)均被加上正向電壓，反之，被加上反向電壓。,3三極管處于放大狀態(tài)的值，遠比處于倒置（C、E極互換）狀態(tài)的值大。,測量要點,2020年10月11日星期日,54-44,第二章 半導(dǎo)體器件第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管,1. 確定基極：將紅表筆和黑表筆先后固定到三極管的某條引腿。若(指針式表用1k檔，數(shù)字式表用測二極管擋)測得該腿和另兩條腿之間有低歐姆電阻，則該引腿即為基極，如果連基極的表筆為黑色（指針式表為紅色），則該管為PNP管，若為紅色（指針式表為黑色），則

22、該管為NPN管。,測量步驟,2. 確定集電極和發(fā)射極：對NPN管，將紅、黑表筆分別和待判別的兩個 電極相連接，在紅表筆（指針式表為黑表筆）所連電極和已判明的基極之間 接個10k左右的電阻，意味著加一偏流，觀察電表指示歐姆值的大小， 在調(diào)換表筆的兩次測量中，加偏流后電表指示歐姆值小，則意味著此種連接 情況下的值大，紅表筆（指針式表為黑表筆）所接電極為集電極。,對PNP管，方法與上述相似，只是偏流電阻接于黑表筆（指針式表為紅表筆） 所接電極和已判明的基極引腿之間。,2020年10月11日星期日,54-45,第二章 半導(dǎo)體器件第三節(jié) 晶閘管,一、基本結(jié)構(gòu),陽極A,陰極K,門極 （控制極）G,結(jié)構(gòu)示意

23、圖,符號,2020年10月11日星期日,54-46,第二章 半導(dǎo)體器件第三節(jié) 晶閘管,普通型晶閘管有螺栓式和平板式兩種。,2020年10月11日星期日,54-47,第二章 半導(dǎo)體器件第三節(jié) 晶閘管,二、工作原理,(1)A、K之間 加反向電壓,J2正偏， J1、 J3反偏，V1不導(dǎo)通，晶閘管處于截止狀態(tài),(2)A、K之間 加正向電壓，門極開路,UAK,UAK,J1、 J3正偏， J2反偏，V1不導(dǎo)通，晶閘管處于截止狀態(tài),2020年10月11日星期日,54-48,第二章 半導(dǎo)體器件第三節(jié) 晶閘管,IG,21IG,1IG,IB1,J1、 J2 、J3均正偏， V1 、V2導(dǎo)通,如此循環(huán)，形成正反饋，

24、使V1、 V2很快達到飽和導(dǎo)通，此過程時間很短，只有幾微秒，晶閘管迅速導(dǎo)通。導(dǎo)通后，A、K間壓降很小，電壓全部加在負載上。晶閘管中流過的電流與負載電流相同。,UGK,IG=IB1,V1放大,IC1=1IB1=1IG= IB2,V2放大,IC2=2IB2=21IG=IB1,（4）控制極的作用 晶閘管導(dǎo)通后，由于前面正反饋的作用，即使UGK0仍能保持繼續(xù)導(dǎo)通，因此，門極僅僅是觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，導(dǎo)通之后，門極就失去控制作用。 一般門極采用脈沖信號觸發(fā)信號。,（3）A、K之間 加正向電壓， G、K之間加正向電壓,2020年10月11日星期日,54-49,第二章 半導(dǎo)體器件第三節(jié) 晶閘管,（5）晶閘管

25、的關(guān)斷,2. 使陽極電流iA小于維持電流IH，即iA IH ，晶閘管將截止。,1. A、K極之間加反向電壓，令uAK 0，晶閘管則處于截止狀態(tài)。,結(jié)論：,晶閘管導(dǎo)通條件：,1. 陽極A和陰極K之間加正向電壓,2. 控制極G和陰極K之間加正向電壓,3. 陽極電流大于擎住電流,可見晶閘管是一個可控的導(dǎo)電開關(guān)； 它與二極管相比，不同之處是其正向?qū)ㄊ芸刂茦O電流控制。,晶閘管關(guān)斷條件：,1. A、K極之間加反向電壓；,2. iA IH 。,2020年10月11日星期日,54-50,第二章 半導(dǎo)體器件第三節(jié) 晶閘管,三、伏安特性,導(dǎo)通后的特性,IL,IH,UBR,UBO,未導(dǎo)通的特性,IG=0特性,IG0特性,A,B,C,D,正向轉(zhuǎn)折電壓,維持電流,擎住電流,反向擊穿電壓,2020年10月11日星期日,54-51,第二章 半導(dǎo)體器件第三節(jié) 晶閘