章半导体器件PPT学习教案

1、会计学1半导体二极管及其应用电路第二部分 电子技术基础第1页/共66页 第1章 半导体二极管及其应用电路1.1 1.2 1.3 1.4 第2页/共66页半导体材料的特性，半导体二极管、半导体三极管的工作原理及应用知识电子器件认知规律和第3页/共66页1.1.1 半导体：指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），硒和许多金属氧化物、硫化物都是半导体。图2.1.1 物体的导电性：（1）导体（2）绝缘体（3）半导体cmcm 1510142.硅硅 cmcm 1010绝绝 cmcm 410导导 第4页/共66页（1）热敏性大部分半导体的导电能力随温度的升高而增强，有

2、些对温度反应特别敏感。热敏元件半导体材料的三个特点：（2）光敏性半导体的导电能力随光照强度的变化而变化。例如硫化镉薄膜，无光照时，电阻是几十兆欧姆，是绝缘体；受光照时，电阻只有几十千欧姆。光敏元件（3）掺杂性如果在纯净半导体中掺入微量其它元素（称为掺杂），半导体的导电能力随着掺杂能力的变化而发生显著变化。基本半导体器件第5页/共66页1、本征半导体完全纯净的具有晶体结构的半导体。图2.1.1 根据半导体的掺杂情况，半导体材料又可以分为两类： 典型的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），它们都是四价元素，每个原子的外层有四个价电子，原子结构如图2.1.1所示。四价元素第6页/共66页SiSiSiS

3、i共价键共价键：在晶体结构的半导体中，相邻两个原子的一对最外层电子成为共用电子，形成共价键结构。价电子电子、空穴：在常温下由于分子的热运动，少量价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子，同时在原位留下的空位称空穴。这种现象称为本征激发结论：在本征半导体中电子空穴成对产生，当温度和光照增加时，其数目增加。自由电子空穴第7页/共66页SiSiSiSi 在外电场作用下，自由电子定向运动，价电子填补空穴。 自由电子定向运动价电子填补空穴在半导体中，同时存在着自由电子导电和空穴导电。这就是半导体导电方式的最大特点。自由电子（带负电）和空穴都被称为载流子。第8页/共66页2、杂质半导体电子型（N型）半导体空穴型

4、（P型）半导体杂质半导体有两大类SiSiSiSiSiP在本征 硅或锗中掺入五价元素，如磷、砷、锑，则自由电子数目大大增加，形成多数载流子。空穴为少数载流子。在外电场作用下，自由电子导电占主导地位，故称电子型半导体。简称空穴自由电子自由电子数增加第9页/共66页SiSiSiSi在本征 硅或锗中掺入三价元素，如硼、铝、铟，则空穴数目大大增加，形成多数载流子。自由电子为少数载流子。在外电场作用下，空穴导电占主导地位，故称空穴型半导体。简称空穴自由电子SiB空穴数增加第10页/共66页1.1.2 PN 结的形成1、 PN 结形成图2.1.2用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体和N型半导

5、体，在两种半导体的交界面附近，由于多数载流子浓度的差别，引起多数载流子的扩散运动。图2.1.2 P区空穴向N区扩散N区电子向P区扩散第11页/共66页1、PN 结形成扩散运动在交界面附近形成一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。图2.1.2 P区空穴向N区扩散N区电子向P区扩散阻挡层阻挡多子扩散耗尽区PN结第12页/共66页1.1.3、PN 结的导电性在PN结两端加上不同极性的外电压， PN结呈不同的导电性。图2.1.3 PN结加正向电压：P区接电源正极， N区接电源负极，如图2.1.3（a）。外电场削弱内电场，空间电荷区变窄，多数载流子扩散运动增强。PN结的正向电流由多数载流子形成，比较大，P

6、N结呈现较小的正向电阻，称PN结正向导通。第13页/共66页图2.1.3 PN结加反向电压：P区接电源负极， N区接电源正极，如图2.1.3（b）。外电场加强内电场，空间电荷区变宽，阻止多子扩散运动，只有少数载流子越过空间电荷区形成反向电流。PN结的反向电流由少数载流子形成，反向电流非常小，PN结呈现极高的反向电阻，称PN结反向截止。第14页/共66页1.1.4 半导体二极管第15页/共66页 二极管的基本结构由一个PN结加电极引线与外壳制成。D图2.1.4 N阳极或正极阴极或负极阳极或正极阴极或负极D第16页/共66页PN结接触面的大小，二极管可分点接触型与面接触型。PN结接触面小PN结接触

7、面小，不能通过大电流但其结电容小，常用于高频检波及小电流整流，使用时不能承受较高的反向电压和大电流。PN结接触面积大，通过的正向电流比点接触型大，常用作整流管，但结电容大，适用于低频电路。PN结接触面大第17页/共66页金属触丝阳极引线N 型锗片阴极引线外壳( a ) 点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线( b ) 面接触型阴极阳极( d ) 符号D第18页/共66页1.2.2 二极管的伏安特性图2.1.5 第19页/共66页mAVDERU+WI1.2.2 二极管的伏安特性正向特性说明：OA正向死区AB正向导通区硅0.5V锗0.2V硅0.6V - 0.7V锗0.2V -

8、0.3VA0B第20页/共66页EmAVDRU+WI1.2.2 二极管的伏安特性反向特性说明：OC反向截止区CD反向击穿区0硅几微安锗几十微安CD反向饱和电流第21页/共66页1.2.3 主要参数D第22页/共66页1.2.4 二极管应用举例图2.1.6 1.2.1题图【】 第23页/共66页先假设二极管不导通判断加在二极管两端的正向电压是否大于导通电压？二极管导通，二极管两端电压等于导通电压；二极管截止，这条电路中无电流。是1.2.4 二极管应用举例【】分析方法：【】否图2.1.6 1.2.1题图第24页/共66页（a）图中，假设D不导通，以b为参考点，二极管的正极电位为12V，负极电位为6

9、V，正向电压为【】分析方法：【】所以二极管截止， Uab6V，流过电阻的电流为零。12 （6）= 6V0.6V图2.1.6 1.2.1题图第25页/共66页二极管的正向电压为6V0.6V，所以二极管导通， 导通电压为0.6V ，Uab120.6V11.4V，流过电阻的电流【】分析方法：【】（b）图中，假设D不导通，以b为参考点，则二极管的正极电位为6V ，负极电位为12V ，正向电压为6 （12）= 6V 0.6V I =(120.66)3000=0.0018A负号表示电流方向从b流向a。图2.1.6 1.2.1题图第26页/共66页【】 如图2.1.7所示，已知E5V，输入信号为正弦波ui1

10、0sint V，二极管的正向导通电压为0.6V，画出输出电压信号的波形图。 这个电路仍是分析二极管的导通与否，图中二极管的正极接信号电压ui ，二极管的负极接电源E的正极，两个量进行比较，确定二极管的导通与否。1.2.4 二极管应用举例分析方法：【】图2.1.7 1.2.2题图第27页/共66页 当ui E0.6V（导通电压）时，二极管截止，此时二极管无电流通过，uoui【】分析方法：【】 当ui E0.6V（导通电压）时，二极管导通，uo E0.6V5.6V。图2.1.8 虚线为输入电压波形。ui E0.6Vui E0.6V第28页/共66页【】 在图2.1.9所示电路中，已知输入端A的电位

11、VA3.6V，输入端B的电位VB0.3V，电阻R10 k ，电源E9V，二极管的导通电压为0.2V，求输出端F的电位和流过R的电流I。 1.2.4 二极管应用举例图2.1.9 1.2.3题图分析方法：【】先假设两个二极管均不导通，根据已知条件，UDA3.6(9)=12.6V，故DA导通，VF3.60.2=3.4V。再看DB， UDB0.33.4=3.1V，故DB截止。先讨论DB这个结论也成立。先假设两个二极管均不导通，根据已知条件，UDB0.3(9)=8.7V，故DB导通，VF0.30.2=0.1V。再看DA， UDA3.60.1=3.5V，故DA也导通。DA DB都导通吗？第29页/共66页

12、流过R中的电流为mA241000 10943 I 当数个二极管的负极（正极）并联在一点，而加在这些二极管的正极（负极）电位各不相同，且都高于负极（低于正极）电位时，正极最高（负极最低）的二极管导通。【】分析方法：【】第30页/共66页1.2.5 特殊二极管 稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。专为在电路中稳定电压设计，故称为稳压管。图2.1.10 稳压管符号稳压管的图形符号及伏安特性图2.1.11 稳压管 伏安特性曲线DZ特点： 1、正向特性曲线同二极管；反向击穿区2、反向击穿电压较低，反向特性曲线 比较陡；UZ为稳压值。3、正常的工作区域为反向击穿区，且可逆。第31页/共66页稳压管主

13、要参数1.2.5 特殊二极管ZZZIUr DZZU稳压管常用参数见表2.1.1第32页/共66页1.2.5 特殊二极管图2.1.12 光电二极管光电二极管的图形、等效电路及伏安特性是一种将光能转换成电能的器件，其反向电流随光照强度的变化而上升。光电二极管的反向电流与光照度成正比。1、光电二极管的管壳上有一个玻璃窗口以便接受光照；2、可用于光测量。3、制成光电池。第33页/共66页1.2.5 特殊二极管图2.1.12 发光二极管发光二极管的图形符号发光二极管是一种将电能转换成光能的器件，即当管子通以电流后将发出光来。常作为显示器件，工作电流在几个到几十毫安。当管子加正向电压时，在正向电流激发下，

14、管子发光。发光的颜色有红，黄，绿，蓝，紫等。第34页/共66页1.3.1 基本结构第35页/共66页1.3.1 基本结构图2.1.14 三极管CBE第36页/共66页第37页/共66页1.3.1 基本结构图2.1.14 三极管电 极 名 称、 符 号 相同 ； 内 部结 构 相 同。PPN第38页/共66页1.3.2 电流分配与放大作用 图2.1.15 第39页/共66页1.3.2 电流分配与放大作用 CBEIII BCEIII 338060302537040501BCBC.II.II 40020800040060501302BC .II第40页/共66页BECNNPEBRBECIEIBEIC

15、EICBO第41页/共66页ICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIIICEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略第42页/共66页1.3.3 半导体三极管的特性曲线图2.1.16 第43页/共66页1.3.3 半导体三极管的特性曲线图2.1.17 第44页/共66页1.3.3 半导体三极管的特性曲线图2.1.18 第45页/共66页1.3.3 半导体三极管的特性曲线图2.1.18 BICI第46页/共66页NNPBEC2.三极管放大的外部条件基区很薄（便于发射区多子穿越基区）集电区面积大（便于收集多子）发

16、射区掺杂浓度最高第47页/共66页1.3.3 半导体三极管的特性曲线图2.1.18 BICICEOI第48页/共66页1.3.3 半导体三极管的特性曲线图2.1.18 BICICEOI第49页/共66页【】 已知图2.1.19中各三极管均为硅管，测得各管脚的电压值分别为图2.1.19中所示值，则问各三极管工作在什么区？图2.1.19 1.3.1题图（b）图中，满足三极管在放大区的工作条件，它工作在放大区。分析方法：【】这类问题主要根据Ube和Uce电压来确定其工作区域。（a）图中因为Uce1V，它工作在饱和区；第50页/共66页【】 已知图2.1.20(a)放大电路中各个三极管均为NPN型，且

17、测得各个管脚的对地电位，判断各三极管管脚及其类型。图2.1.20 1.3.2题图分析方法：【】 已知各个三极管均工作在放大电路中，即它们应满足三极管在放大区的工作条件，则判断原则是：（1）中间值应为B极；（2）UBE0.7V为硅管，UBE=0.2V为锗管，并可确立E极；（3）发射结应正偏，集电结应反偏。判断结果如图2.1.20（b）所示。第51页/共66页1.3.4 半导体三极管的主要参数对给定的三极管， 第52页/共66页1.3.4 半导体三极管的主要参数【例1.3.3】从输出特性曲线上(1)计算Q1点处的直流电流放大系数(2)由Q1和Q2两点,计算交流流电流放大系数 【解】（1）计算Q1点

18、处：（2）在Q1和Q2两点得：537040501BC.II 40020800040060501302BC .II BICI图2.1.18 第53页/共66页1.3.4 半导体三极管的主要参数指基极开路时，电流。该值越小越好。CEOI0B I集电极电流过大会引起下降，当下降到正常值的三分之二时的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。使用时ICM。CMI图2.1.21 第54页/共66页1.3.4 半导体三极管的主要参数CEOI0B ICMI基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压CMPCMP CEOBRUCECCMUIP 根据上式，可作出一条双曲线。结论：由 、图2.1.21 第55页

19、/共66页按结构不同分类：绝缘栅型管按工作状态不同分类：按沟道不同分类：第56页/共66页1.4.1 N沟道增强型绝缘栅图2.1.22 N沟道增强型绝缘栅S S源极源极G G栅极栅极D D漏极漏极简称NMOS管。第57页/共66页1.4.1 N沟道增强型绝缘栅 当栅源电压UGS = 0 时，从漏极到源极之间的两个PN结是反向串联的，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，因此，漏极和源极之间的电阻很大，可以认为漏极电流近似为零ID0。UGS = 0 时，ID0S S源极源极D D漏极漏极第58页/共66页1.4.1 N沟道增强型绝缘栅当UGS 0 时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，在P型衬底的表面形成漏极和源极之间的导电沟道。源N型导电沟道D