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文档简介

1、模拟信号与模拟电路模拟信号与模拟电路1. 电子电路中信号的分类电子电路中信号的分类数字信号数字信号:离散性:离散性模拟信号:连续性。大多数物理量为模拟信号。模拟信号:连续性。大多数物理量为模拟信号。 2. 模拟电路模拟电路 模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。是对模拟信号进行处理的电路。 最基本的处理是对信号的放大,有功能和性能各异的放最基本的处理是对信号的放大,有功能和性能各异的放大电路。大电路。 其它模拟电路多以放大电路为基础。其它模拟电路多以放大电路为基础。“1”的电的电压当量压当量“1”的倍数的倍数介于介于K与与K+1之之间时需根据阈值间时需根据阈值确定为确定为K或或K+1任何

2、瞬间的任何任何瞬间的任何值均是有意义的值均是有意义的电子信息系统的组成模拟电子电路模拟电子电路数字电子电路(系统)数字电子电路(系统)传感器传感器接收器接收器隔离、滤隔离、滤波、放大波、放大运算、转运算、转换、比较换、比较功放功放模拟模拟- -数字混合电子电路数字混合电子电路模拟电子系统模拟电子系统执行机构执行机构模拟电子技术基础课的特点模拟电子技术基础课的特点 1、工程性工程性 实际工程需要证明其可行性。实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。强调定性分析。 实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。在一定的误差范围的。 定

3、量分析为定量分析为“估算估算”。 近似分析要近似分析要“合理合理”。 功能、性能。功能、性能。 电子电路归根结底是电路。电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。不同条件下构造不同模型。2. 实践性实践性 常用电子仪器的使用方法常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法电子电路的测试方法 故障的判断与排除方法故障的判断与排除方法 EDA软件的应用方法软件的应用方法主要内容主要内容模拟信号下的模拟信号下的1、电子器件、电子器件2、电子电路及其应用、电子电路及其应用第六章半导体二极管和晶体管6.1 半导体基础知识半导体基础知识6.2 二极管二极管6.3 特殊二极管特殊二极管6.4 晶体管晶体

4、管6.1 6.1 半导体基础知识半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结结6.1.16.1.1本征半导体本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。1 1、什么是半导体?什么是本征半导体?、什么是半导体?什么是本征半导体? 导体导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。 绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电

5、子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。(橡胶手柄,耐压电。(橡胶手柄,耐压2500V) 半导体半导体硅(硅(Si)、锗()、锗(Ge),均为四价元素,它们原),均为四价元素,它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。GeSi现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。的最外层电子(价电子)都是四个。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。无杂质无

6、杂质稳定的结构稳定的结构为什么用硅多用锗少?在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而其它四个原子位于四面体的顶点,每个原子而其它四个原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价电子。电子。硅和锗的晶体结硅和锗的晶体结构:构:2 2、本征半导体的结构、本征半导体的结构由于热运动,具有足够能量由于热运动,具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电

7、子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴留有一个空位置,称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。共价键共价键 一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。(本征浓度)的浓度加大。(本征浓度)动态平衡动态平衡本征激发两种载流子两种载流子 外加电场时,带负电的自由电外加电场时,带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电,子和带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相

8、反。由于载流子数目很少,故导电性很差。目很少,故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体?3 3、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。 温度升高,热运动加剧,载温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。流子浓度增大,导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。二、杂质半导体二、杂质半导体 1. 1. N N型半导体型半导体5磷(磷(P) 杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多,多子子导电。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现浓度越高,导电性越强,实现导电性

9、可控。导电性可控。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多了?少了?为什么?了?少了?为什么?导电性能人为可控N型半导体呈电中性,只是导电性提高少数载流子少数载流子2. 2. P型半导体型半导体3硼(硼(B)多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电,型半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强,导电性越强, 在杂质半导体中,温度变化时,在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗?少子与多载流子的数目变化吗?少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子浓度的变化相同吗?子浓度的变化相同吗?

10、少数载流子少数载流子P型半导体呈电中性,只是导电性提高3 3. 漂移电流和漂移电流和扩散电流扩散电流载流子定向运动,才能形成定向电流。载流子定向运动,才能形成定向电流。1、电场作用下,载流子产生定向迁移运动漂移电流I漂漂正比于电场强度(正比于电场强度(电位差电位差)和载流子浓度。)和载流子浓度。2、由于载流子分布不均匀,载流子从浓度高向浓度、由于载流子分布不均匀,载流子从浓度高向浓度低处扩散低处扩散扩散电流扩散电流I扩扩正比于正比于浓度差浓度差漂移运动漂移运动扩散运动扩散运动三、三、PN结结扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P

11、区。区。 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低,产生内电场。区的自由电子浓度降低,产生内电场。在一块本征半导体两侧,通过掺入不同的杂质,分别形成在一块本征半导体两侧,通过掺入不同的杂质,分别形成N型型和和P型半导体型半导体PN 结的形成结的形成 因电场作用所产因电场作用所产生的运动称为漂移生的运动称为漂移运动。运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡,就形成了平衡,就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区

12、的交界面缺少多数载流子,形成区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。PN结加正向电压导通:结加正向电压导通: 耗尽层变窄,扩散运动加耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,形剧,由于外电源的作用,形成扩散电流,成扩散电流,PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加反向电压截止:结加反向电压截止: 耗尽层变宽,阻止扩散运动,耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电有利于漂移运动,形成漂移电流。由于电流很小,故可近似流。由于电

13、流很小,故可近似认为其截止。认为其截止。必要吗?必要吗?PN 结的单向导电性结的单向导电性四、四、PN 结的电容效应结的电容效应1. 势垒电容 PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容同,其等效电容称为势垒电容Cb。2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩

14、散电容过程,其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容:结电容: 结电容不是常量!若结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定程度,结外加电压频率高到一定程度,则失去单向导电性!则失去单向导电性!问题问题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体,导电性能极差,又将其掺杂,成本征半导体,导电性能极差,又将其掺杂,改善导电性能?改善导电性能? 为什么半导体器件的温度稳定性差?是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差?是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素?是少子是影响温度稳定性的主要因素? 为什么半导体器件有最高工作频率?为什么半导体器件

15、有最高工作频率?6.2 6.2 二极管二极管一、二极管的结构一、二极管的结构二、二极管的伏安特性及电流方程二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数 一、二极管的结构一、二极管的结构将将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。结封装,引出两个电极,就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管点接触型:结面积小,点接触型:结面积小,结电容小,故结允许结电容小,故结允许的电流小,最高工作的电流小,最高工作频率高。频率高。高频检波和高频检波和脉冲开关脉冲开关 面接触型:结

16、面积大,面接触型:结面积大,结电容大,故结允许结电容大,故结允许的电流大,最高工作的电流大,最高工作频率低。频率低。低频整流低频整流 平面型:扩散工艺,平面型:扩散工艺,结面积可小、可大,结面积可小、可大,小的工作频率高,大小的工作频率高,大的结允许的电流大。的结允许的电流大。材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A)(ufi mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常温下温度的温度的电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二、二极管的

17、伏安特性二、二极管的伏安特性OU/VI/mAUBRIS反向特性死区电压正向特性0.51.01020Uth击穿击穿电压电压反向饱反向饱和电流和电流开启开启电压电压从二极管的伏安特性可以反映出:从二极管的伏安特性可以反映出: 1. 单向导电性单向导电性TeSTUuIiUu,则若正向电压) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T()在电压不变情况下电流增加在电压不变情况下电流增加 反向饱和电流反向饱和电流IS,U(BR) T()正向特性左移正向特性左移,反向特性下移,反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/

18、10STIiUu,则若反向电压材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压PN结的击穿:结的击穿:齐纳击穿:齐纳击穿:UBR大多小于大多小于4V ,掺杂浓度高掺杂浓度高PN结较薄,共价键电子被结较薄,共价键电子被拉出。拉出。雪崩击穿:雪崩击穿:UBR大多大于大多大于6V ,掺杂浓度低掺杂浓度低PN结较厚(碰撞几率大),结较厚(碰撞几率大),电场使得动能大,把电子撞出来,一个撞一个越撞越多。电场使得动能大,把电子撞出来,一个撞一个越撞越多。以上为电

19、击穿,为可逆击穿,热击穿不可逆,一定要串联电阻,以上为电击穿,为可逆击穿,热击穿不可逆,一定要串联电阻,涉及功率发热涉及功率发热P=UI三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路!应根据不同情况选择不同的等效电路!将伏安特性折线化?100V?5V?1V?四、四、 二极管的主要参数二极管的主要参数 1最大整流电流最大整流电流IF最大整流电流是指二极管长时间工作时,允许流过二极管的最大

20、正向平均电流,最大整流电流是指二极管长时间工作时,允许流过二极管的最大正向平均电流,它由它由PN结的结面积和散热条件决定。结的结面积和散热条件决定。 2最大反向工作电压最大反向工作电压UR它是二极管加反向电压时为防止击穿所取的安全电压,一般将反向击穿电压它是二极管加反向电压时为防止击穿所取的安全电压,一般将反向击穿电压UBR的一半定为最大反向工作电压的一半定为最大反向工作电压UR。 3反向电流反向电流IRIR是指二极管加上最大反向工作电压是指二极管加上最大反向工作电压UR时的反向电流。时的反向电流。IR愈小,二极管的单向愈小,二极管的单向导电性就愈好。此外,由于反向电流是由少数载流子形成的,所

21、以,温度对导电性就愈好。此外,由于反向电流是由少数载流子形成的,所以,温度对IR的的 影响很大影响很大 4最高工作频率最高工作频率fMfM主要由主要由PN结电容的大小决定,结电容愈大,则结电容的大小决定,结电容愈大,则fM就越低。若工作频率超过就越低。若工作频率超过fM,则二极管的单向导电性就变差,甚至无法使用。则二极管的单向导电性就变差,甚至无法使用。 二极管主要是利用其单向导电性,通常用于整流、检波、限幅、元件保护等,二极管主要是利用其单向导电性,通常用于整流、检波、限幅、元件保护等,在数字电路中常作为开关元件。在数字电路中常作为开关元件。 6.3 6.3 特殊二极管特殊二极管一、稳压二极

22、管一、稳压二极管二、变容二极管二、变容二极管三、光电二极管三、光电二极管四、发光二极管四、发光二极管一、稳压二极管一、稳压二极管1. 伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组成,反向击穿后成,反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压基本围内端电压基本不变,为稳定电不变,为稳定电压。压。 若稳压管的电流太小则不稳压,若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压,若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏,因而稳压管电路中必需有限制稳压管电因功耗过大而损坏,因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻!流的限流电阻

23、!限流电阻限流电阻斜率?斜率?特殊工艺制造的面接触型特殊工艺制造的面接触型硅二极管硅二极管1稳压值稳压值UZ 稳压管在正常工作时管子两端的电压稳压管在正常工作时管子两端的电压 2稳定电流稳定电流IZ 能使稳压管正常工作的最小电流。能使稳压管正常工作的最小电流。 IIZ时稳压效果较差。时稳压效果较差。4动态电阻动态电阻rZ( rZ愈愈小,曲线愈陡,稳压性能愈好)小,曲线愈陡,稳压性能愈好) rZ指稳压管两端电压与电流的变化量之比,定义式为:指稳压管两端电压与电流的变化量之比,定义式为: ZZZIUr5电压温度系数电压温度系数u %100TUu对硅稳压管,稳压值在对硅稳压管,稳压值在4V以下的,以

24、下的,u为负值,为负值,6V以上的,以上的,u为正为正值,稳压值在值,稳压值在4V到到6V之间,之间,u最小,最小,u一般不超过一般不超过0.1%/。 3额定功耗额定功耗PZ稳压管允许的最大平均功率稳压管允许的最大平均功率,有的给出最大稳定电流有的给出最大稳定电流IZM,PZ=IZMUZ2.稳压管的主要参数 UZZUZIOU/VI/mA稳压管和限流电阻稳压管和限流电阻串联即构成简单的稳压电路,限流电阻串联即构成简单的稳压电路,限流电阻R是稳压是稳压电路不可缺少的组成元件。当输入电压有波动或负载电流变化时,电路不可缺少的组成元件。当输入电压有波动或负载电流变化时,电路自动通过调节电路自动通过调节R上的压降来保持输出电压基本不变。上的压降来保持输出电压基本不变。 (1)设)设RL不变,不变,UI增大,则增大,则U0=UZ也将增大,也将增大,UZ增大,使增大,使IZ增大,增大,IR=IZ+IO及及UR随之增大,从而使随之增大,从而使UO=UI- -UR保持基本不变。此过程保持基本不变。此过程可表示

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