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文档简介

半导体器件

学会用工程观点分析问题,就是根据实际情况,对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似,以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。

对于元器件,重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法,不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。

对电路进行分析计算时,只要能满足技术指标,就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC的值也有误差。工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。14.1

半导体的导电特性半导体的导电特性:(可做成温度敏感元件,如热敏电阻)。掺杂性:往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件,如二极管、三极管和晶闸管等)。光敏性:当受到光照时,导电能力明显变化(可做成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性:当环境温度升高时,导电能力显著增强14.1.1

本征半导体

完全纯净的、具有晶体结构的半导体,称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子,称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后,即可挣脱原子核的束缚,成为自由电子(带负电),同时共价键中留下一个空位,称为空穴(带正电)。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴

温度愈高,晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子

在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填补,而在该原子中出现一个空穴,其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时,在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动

电子电流

(2)价电子递补空穴

空穴电流注意:

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差;

(2)温度愈高,载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以,温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,半导体中载流子便维持一定的数目。本征半导体中,自由电子和空穴数量相同,且数量很少。温度越高,载流子的浓度越高,导电能力越强,故温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。半导体的导电方式自由电子的移动空穴的移动半导体有两种载流子自由电子空穴N型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式,称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。14.1.1

N型半导体和P型半导体P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加,空穴导电成为这种半导体的主要导电方式,称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的,对外不显电性。1.在杂质半导体中多子的数量与

(a.掺杂浓度、b.温度)有关。2.在杂质半导体中少子的数量与(a.掺杂浓度、b.温度)有关。3.当温度升高时,少子的数量(a.减少、b.不变、c.增多)。abc4.在外加电压的作用下,P型半导体中的电流主要是

,N型半导体中的电流主要是。(a.电子电流、b.空穴电流)ba14.2PN结及其单向导电性14.2.1

PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体

内电场越强,漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡,空间电荷区的厚度固定不变。----------------++++++++++++++++++++++++--------形成空间电荷区14.2.2PN结的单向导电性1.PN结加正向电压(正向偏置)PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱,多子的扩散加强,形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时,PN结变窄,正向电流较大,正向电阻较小,PN结处于导通状态。内电场PN------------------+++++++++++++++++++–RU2.PN结加反向电压(反向偏置)外电场P接负、N接正内电场PN+++------+++++++++---------++++++---–+UPN结变宽2.PN结加反向电压(反向偏置)外电场

内电场被加强,少子的漂移加强,由于少子数量很少,形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多,反向电流将随温度增加。PN结加反向电压时,PN结变宽,反向电流较小,反向电阻较大,PN结处于截止状态。内电场PN+++------+++++++++---------++++++---–+U结论PN结具有单向导电性:1.PN结加正向电压,有较大的正向电流流过,称PN结导通。2.PN结加反向电压,仅有很小的反向电流,称PN结截止。PN结的反向击穿现象反向电压太高时,内电场很强,少数载流子穿过内电场时获得很大能量,它会把价电子碰撞出来,……,使载流子猛增,反向电流急剧增大,使发生雪崩击穿。若PN结上的电场增加到某一数值时,强电场可以直接把共价键中的价电子拉出来,发生齐纳击穿。雪崩击穿齐纳击穿电击穿若PN结散热好,是可逆击穿温度升高,PN结烧毁——热击穿,是不可逆的。PN结不能加上任意高的反向电压14.3

二极管14.3.1基本结构(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。

结面积大、正向电流大、结电容大,用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线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)面接触型半导体二极管的结构和符号二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)

符号D14.3.2伏安特性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。

外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿,失去单向导电性。正向特性反向特性特点:非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。二极管的等效电路1.理想二极管的等效电路:

正向压降为0,反向电流为0uDiDababuD<0时abuD>0时uDiD伏安特性2.考虑正向压降UD时二极管的等效电路:

正向压降UD:硅管取0.7V,锗管取0.3VuDiDababuD<UD

时bauD>UD

时UDuDiD伏安特性UD3.考虑正向特性曲线的斜率时的等效电路:uDiDababuD<UT

时bauD>UT

时UTrd动态电阻:uDiD伏安特性UTD*二极管的型号2AP1电极数2:二极管3:三极管基片材料A:N型锗,B:P型锗C:N型硅,D:P型硅表示用途P:普通管,Z:整流管W:稳压管,K:开关管序号:序号不同,参数有差别14.3.3主要参数1.

最大整流电流

IOM

二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。2.

反向工作峰值电压URWM

是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。3.

反向峰值电流IRM

指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大,说明管子的单向导电性差,IRM受温度的影响,温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,锗管的反向电流较大,为硅管的几十到几百倍。二极管的单向导电性1.二极管加正向电压(正向偏置,阳极接正、阴极接负)时,二极管处于正向导通状态,二极管正向电阻较小,正向电流较大。2.二极管加反向电压(反向偏置,阳极接负、阴极接正)时,二极管处于反向截止状态,二极管反向电阻较大,反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿,失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响,温度愈高反向电流愈大。

二极管电路分析举例定性分析:判断二极管的工作状态导通截止否则,正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V

分析方法:将二极管断开,分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置),二极管导通若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置),二极管截止

若二极管是理想的,正向导通时正向管压降为零,反向截止时二极管相当于断开。电路如图,求:UABV阳

=-6VV阴=-12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降,二极管可看作短路,UAB=-6V否则,UAB低于-6V一个管压降,为-6.3V或-6.7V例1:

取B点作参考点,断开二极管,分析二极管阳极和阴极的电位。

在这里,二极管起钳位作用。D6V12V3k

BAUAB+–两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点,断开二极管,分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=-6V,V2阳=0V,V1阴

=V2阴=-12VUD1=6V,UD2=12V

UD2>UD1

∴D2优先导通,D1截止。若忽略管压降,二极管可看作短路,UAB

=0V例2:D1承受反向电压为-6V流过D2

的电流为求:UAB

在这里,D2起钳位作用,D1起隔离作用。BD16V12V3k

AD2UAB+–ui>8V,二极管导通,可看作短路uo=8V

ui<8V,二极管截止,可看作开路uo=ui已知:二极管是理想的,试画出uo

波形。8V例3:二极管的用途:

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––例4:二极管的应用:RRLuiuRuotttuiuRuoR和C构成一个微分电路,二极管起检波作用,去除正脉冲。例5:如图,二极管是理想的,已知:ERDiDu12求下列情况下的iD波形:a.E=10V;b.E=20V;c.E=5V;d.E=0V解:12a.E=10V时b.E=20V时t10Vu12tiD1mAu12t20V10Vt2mAiD1mAERDiDu1212c.E=5V时d.E=0V时t5Vu1215VtiD0.5mA1.5mAt10Vu12tiD1mA二极管在其他方面的应用1。二极管限幅电路:MF30型袖珍万用表表头电路MFU1K

D1D237.5

A2750

2CP11X2原理:正常工作时,表头M仅需0.103V电压,即可满刻度偏转。而2CP11在0~150mV内,正、反向电流几乎为0,相当于断开,不影响表头正常工作。当使用不当时,如用电流挡或电阻挡去测电压,表头会因过流而烧毁,有二极管后,表头上的电压被限制在0.7V,有一定的保护作用。2。续流二极管:eLERLiLS开关S断开时,由于电流突变,L两端产生很高的感应电动势,危害极大。为此,在线圈两端并联一个二极管D。正常工作时,D截止,对电路没有影响。S断开时,D导通,线圈电流通过D续流而不致突变为0,从而使感应电动势不会太大。D14.4

稳压二极管1.符号UZIZIZM

UZ

IZ2.伏安特性

稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻

稳压管反向击穿后,电流变化很大,但其两端电压变化很小,利用此特性,稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO稳定电压工作电流最大电流3.主要参数(1)

稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)

电压温度系数

u环境温度每变化1

C引起稳压值变化的百分数。(3)

动态电阻(4)

稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)

最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小,曲线愈陡,稳压性能愈好。14.5

半导体三极管14.5.1基本结构晶体管的结构(a)平面型;(b)合金型BEP型硅N型硅二氧化碳保护膜铟球N型锗N型硅CBECPP铟球(a)(b)晶体管的结构示意图和表示符号(a)NPN型晶体管;(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(b)PNP型晶体管CE发射区集电区基区集电结发射结NNP基极发射极集电极BCE发射区集电区基区P发射结P集电结N集电极发射极基极B基区:最薄,掺杂浓度最低发射区:掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点:集电区:面积最大晶体管的命名方法:3DG6表示电极数2:二极管3:三极管表示材料A:PNP锗B:NPN锗C:PNP硅D:NPN硅表示管子类型X:低频小功率管D:低频大功率管G:高频小功率管A:高频大功率管序号:序号不同参数有所不同14.5.2电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNP发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看:

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

EBRBECRC晶体管电流放大的实验电路

设EC=6V,改变可变电阻RB,则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化,测量结果如下表:2.各电极电流关系及电流放大作用mA

AVVmAICECIBIERB+UBE

+UCE

EBCEB3DG100晶体管电流测量数据IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:(1)IE=IB+IC符合基尔霍夫定律(2)IC

IB

IC

IE

(3)

IC

IB

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。

实质:

用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化,是CCCS器件。+UBE

ICIEIB

CTEB

+UCE

(a)NPN型晶体管;+UBE

IBIEICCTEB

+UCE

电流方向和发射结与集电结的极性(4)要使晶体管起放大作用,发射结必须正向偏置,集电结必须反向偏置。(b)PNP型晶体管3.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基区空穴向发射区的扩散可忽略发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形成发射极电流IE。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合,形成电流IBE,多数扩散到集电结。从基区扩散来的电子作为集电结的少子,漂移进入集电结而被收集,形成ICE。集电结反偏,有少子形成的反向电流ICBO3.三极管内部载流子的运动规律IC=ICE+ICBO

ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBO

IBEICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数集-射极穿透电流,温度

ICEO

(常用公式)若IB=0,则

IC

ICE014.5.3

特性曲线

即管子各电极电压与电流的关系曲线,是管子内部载流子运动的外部表现,反映了晶体管的性能,是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线:

(1)直观地分析管子的工作状态(2)合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路

重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路

测量晶体管特性的实验线路mA

AVVICECIBRB+UBE

+UCE

EBCEB3DG1001.

输入特性特点:非线性正常工作时发射结电压:NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3V3DG100晶体管的输入特性曲线O0.40.8IB/

AUBE/VUCE≥1V60402080死区电压:硅管0.5V,锗管0.1V。UCE对输入特性的影响:(1)UCE=0时,集电结和发射结正向并联于B、E之间,曲线和二极管正向伏安特性相似。BECIBIEICUBEUCE(2)UCE>1V时,集电结加反向电压,此时注入基区的大部分电子被吸收到集电极,形成IC。故在相同的UBE下,IB要比UCE=0时小一些。所以曲线右移。(3)UCE>1V以后,UCE的增加对曲线没有明显影响,因为所加反向电压已能把除与空穴复合以外的电子都吸收到集电极,故一般用这条曲线。如果在B、E间直接加上过高的正向电压,将使IB过大而损坏晶体管。注意2.输出特性

共发射极电路IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=03DG100晶体管的输出特性曲线

在不同的IB下,可得出不同的曲线,所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。+ICUCCIBRB+UBE

+UCE

UBBCEB+__2.输出特性

晶体管有三种工作状态,因而输出特性曲线分为三个工作区3DG100晶体管的输出特性曲线IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大区

在放大区IC=

IB

,也称为线性区,具有恒流特性。

在放大区,发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置,晶体管工作于放大状态。对NPN型管而言,应使

UBE

>0,UBC<

0,此时,

UCE

>UBE。Q2Q1大放区IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(2)截止区对NPN型硅管,当UBE<0.5V时,即已开始截止,为使晶体管可靠截止,常使UBE

0。截止时,集电结也处于反向偏置(UBC<

0),此时,IC

0,UCE

UCC。IB=0的曲线以下的区域称为截止区。IB=0时,IC=ICEO(很小)。(硅管ICEO<0.001mA)截止区IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(3)饱和区

在饱和区,IB

IC,发射结处于正向偏置,集电结也处于正偏。

深度饱和时,硅管UCES0.3V,

锗管UCES0.1V。

IC

UCC/RC。

当UCE

<

UBE时,集电结处于正向偏置(UBC

>0),晶体管工作于饱和状态。饱和区晶体管三种工作状态的电压和电流(a)放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+(b)截止IC

0IB=0+UCE

UCC

UBC<0++UBE

0

(c)饱和+UBE>

0

IB+UCE

0

UBC>0+

当晶体管饱和时,UCE

0,发射极与集电极之间如同一个开关的接通,其间电阻很小;当晶体管截止时,IC

0,发射极与集电极之间如同一个开关的断开,其间电阻很大,可见,晶体管除了有放大作用外,还有开关作用。晶体管的开关作用晶体管交替地工作在截止和饱和导通状态时,C-E间电路就相当于受IB控制的开关。1.晶体管处于截止状态UBE

0,IB

0,IC

0(对于硅管,UBE

0.5V已开始截止)RCO+UCCIC=0O+UCCRCIC=02.晶体管处于饱和导通状态RCO+UCCUCES

0O+UCCRC一般开关管的UCES<0.35V,接近于理想开关,它工作频率高,开关时间约几十纳秒。UBE略大于0.7V,IB很大,此时

0

0.10.5

0.1

0.6~0.70.2~0.3

0.30.1

0.7

0.3硅管(NPN)锗管(PNP)

可靠截止开始截止

UBE/V

UBE/VUCE/VUBE/V

截止

放大

饱和

工作状态

管型晶体管结电压的典型值例:图中,已知:UCC=6V,RC=3kΩ,RB=10kΩ,β=25,当UBB分别为3V,1V,-1V时,晶体管处于何种工作状态?+ICUCCIBRB+UBE

+UCE

UBBCEB+__解:晶体管饱和时集电极电流为晶体管刚饱和时的基极电流为+ICUCCIBRB+UBE

+UCE

UBBCEB+__(1)当UBB=3V时晶体管已处于深度饱和状态(2)当UBB=1V时晶体管处于放大状态(3)当UBB=-1V时,发射结反向偏置,晶体管可靠截止。14.5.4

主要参数1.电流放大系数,

直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时,注意:

的含义不同,但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下,两者数值接近。

常用晶体管的

值在20~200之间。

由于晶体管的输出特性曲线是非线性的,只有在特性曲线的近于水平部分,IC随IB成正比变化,

值才可认为是基本恒定的。

表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数,晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。例:在UCE=6V时,在Q1点IB=40A,IC=1.5mA;

在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中,一般作近似处理:

≈。IB=020A40A60A80A100A36IC/mA1234UCE/V9120Q1Q

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