教学课件第1章 常用半导体器件 .ppt
电工与电子技术基础 第10章 常用半导体器件电子技术基础第1章 常用半导体器件1.1 半导体二极管1.2 特殊二极管 1.3 二极管整流电源1.4 晶体三极管 电子技术基础导体导体: : 很容易导电的物质。金属一般都是导体。很容易导电的物质。金属一般都是导体。绝缘体绝缘体: :几乎不导电的物质。如橡皮、塑料和石英。几乎不导电的物质。如橡皮、塑料和石英。半导体半导体: :导电能力处于导体和绝缘体之间的物质。导电能力处于导体和绝缘体之间的物质。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。自然界中的物质按其导电的能力分为三种自然界中的物质按其导电的能力分为三种: :1.1 半导体二极管能力知识点1 半导体的导电特性返回1.1.半导体的基本知识半导体的基本知识 电子技术基础半导体的导电特点半导体的导电特点:光敏性：当受外界光的作用时，它的导电能光敏性：当受外界光的作用时，它的导电能力明显增强。力明显增强。1.1.掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些微量杂质，掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些微量杂质，它的导电能力就可增加几十万至几百万倍。它的导电能力就可增加几十万至几百万倍。3.3.返回热敏性：当受外界热的作用时，它的导电能热敏性：当受外界热的作用时，它的导电能力明显增强。力明显增强。2.2. 电子技术基础晶体晶体: : 通过一定的工艺处理，将半导体制成通过一定的工艺处理，将半导体制成 晶体晶体。本征半导体本征半导体: 完全纯净的、结构完整的半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体。晶体。硅和锗的最外硅和锗的最外层有层有4个价电子个价电子,称称 为四价元素。为四价元素。2. 本征半导体返回 电子技术基础共价键共价键: :在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组在硅和锗晶体中，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，而四成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键结构，共用一对价电子。原子之间形成共价键结构，共用一对价电子。共价键共价键(共共用电子对用电子对)两相邻原子的价电子组成一个电子对，它们将两相邻原子的价电子组成一个电子对，它们将两个相邻原子结合在一起，组成共价键结构。两个相邻原子结合在一起，组成共价键结构。返回 电子技术基础共价键中的两个价电子被紧紧束缚在共价键中，共价键中的两个价电子被紧紧束缚在共价键中，常温下这些价电子很难脱离共价键的束缚，因此本常温下这些价电子很难脱离共价键的束缚，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。电能力很弱。形成共价键后，形成共价键后，每个原子的最外每个原子的最外层电子是八个，层电子是八个，构成稳定结构。构成稳定结构。返回 电子技术基础自由电子与空穴：自由电子与空穴：自由电子自由电子空穴空穴价电子价电子当环境温度升高时，当环境温度升高时，使一些价电子获得使一些价电子获得足够的能量脱离共足够的能量脱离共价键的束缚，成为价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时，同时共价键上留下一共价键上留下一个空位，称为个空位，称为空穴空穴。在其它力的作用下，空穴吸引邻在其它力的作用下，空穴吸引邻近的价电子来填补，这样的结果近的价电子来填补，这样的结果相当于空穴在运动，而空穴的运相当于空穴在运动，而空穴的运动相当于正电荷的移动，因此可动相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。以认为空穴是载流子。返回 电子技术基础在本征半导体中掺入某些微量的元素，就会在本征半导体中掺入某些微量的元素，就会使半导体的导电性能有显著变化。使半导体的导电性能有显著变化。（1 1）N N型半导体型半导体3. 杂质半导体 在硅或锗晶体中掺入少量在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体点阵中的的五价元素磷，晶体点阵中的某些硅原子被磷原子取代，磷某些硅原子被磷原子取代，磷原子的最外层有五个价电子，原子的最外层有五个价电子，其中四个价电子与相邻的硅原其中四个价电子与相邻的硅原子的价电子组成共价键。子的价电子组成共价键。返回 电子技术基础 多出的一个电子几乎不受磷原子的束缚，很多出的一个电子几乎不受磷原子的束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样半导体中的自容易被激发而成为自由电子，这样半导体中的自由电子数量大大增加，参与导电的载流子主要是由电子数量大大增加，参与导电的载流子主要是自由电子。自由电子。磷原子就成了不能移动磷原子就成了不能移动的带正电的离子。的带正电的离子。N N型半导体参与导电的是自由电子（多子）。型半导体参与导电的是自由电子（多子）。多余电子多余电子磷原子磷原子返回 电子技术基础（2 2）P P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少在硅或锗晶体中掺入少量的三价硼元素，晶体点阵量的三价硼元素，晶体点阵中的硅或锗原子被硼取代，中的硅或锗原子被硼取代，硼原子的最外层有三个价硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的硅或锗原电子，与相邻的硅或锗原子的价电子组成共价键时，子的价电子组成共价键时，产生一个空穴。产生一个空穴。 这个空穴要吸引价电子来填补，使得硼原子成这个空穴要吸引价电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。为不能移动的带负电的离子。 P P型半导体参与导电的是空穴（多子）。型半导体参与导电的是空穴（多子）。硼原子硼原子返回 电子技术基础（1 1） PN PN 结的形成结的形成在同一片半导体的基片上，分别制造在同一片半导体的基片上，分别制造P P型半导型半导体和体和N N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PNPN结。结。P P+ + + + + + + + + + + + +N NPNPN结结硼离子硼离子多子多子少子少子磷离子磷离子多子多子少子少子空间电荷区空间电荷区扩散运动扩散运动4.4. PN结返回 电子技术基础P+N扩散运动扩散运动内电场漂移运动漂移运动PNPN结处载流子的运动结处载流子的运动空间电荷区空间电荷区不能移动的不能移动的正负离子正负离子返回 电子技术基础P+N内电场对多子内电场对多子起阻碍作用。起阻碍作用。内电场对少子内电场对少子起驱动作用。起驱动作用。内电场越强，就使内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移运动越强，而漂移使空间电荷区漂移使空间电荷区变薄。变薄。扩散的结果使空间扩散的结果使空间电荷区逐渐加宽。电荷区逐渐加宽。返回 电子技术基础所以，扩散和漂移这一对相反的运动最终所以，扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度就固定不变。动，空间电荷区的厚度就固定不变。P+N空间电荷区空间电荷区返回 电子技术基础（2 2）PNPN结的单向导电性结的单向导电性PNPN结在不加电压时，结在不加电压时，多子和少子的运动多子和少子的运动达到动态平衡，所达到动态平衡，所以，以，PNPN结对外呈中结对外呈中性。性。返回 电子技术基础+外电场外电场变薄变薄PN+-+RI+内电场内电场PNPN结外加正向电压（正向偏置）结外加正向电压（正向偏置）PN结导通结导通返回 电子技术基础外电场外电场 变变 厚厚PN-+RI0+内电场内电场+PNPN结截止结截止返回PNPN结外加反向电压（反向偏置）结外加反向电压（反向偏置） 电子技术基础小结小结3.PN3.PN结外加正向电压时结外加正向电压时,PN,PN结处于导通状态结处于导通状态, ,将电路将电路接通接通; PN; PN结外加反向电压时结外加反向电压时,PN,PN结处于截止状态结处于截止状态, ,将电路将电路断开断开;PN;PN结具有结具有单向导电性单向导电性。返回1.本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由自由电子电子和和空穴空穴。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。温度越高，载流子的浓度越高。2 2. .半导体中的多数载流子是由掺杂产生的，少数载流半导体中的多数载流子是由掺杂产生的，少数载流子是由热激发产生的。由于数量的关系，起导电作用的主子是由热激发产生的。由于数量的关系，起导电作用的主要是多数载流子。要是多数载流子。N N型半导体型半导体中自由电子是多子，空穴是中自由电子是多子，空穴是少子。少子。P P型半导体型半导体中空穴是多子，电子是少子。中空穴是多子，电子是少子。 电子技术基础PNPN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。能力知识点2 半导体二极管1.基本结构返回 电子技术基础IUEIUE反向特性反向特性死区电压死区电压 ：硅管：硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: :硅管硅管0.60.7V,锗管锗管0.20.3V。正向特性正向特性2. 伏安特性返回 电子技术基础FMI最大整流电流. 1RMU反向峰值电压. 2 是指二极管正向导通时允许流过的最大正向是指二极管正向导通时允许流过的最大正向平均电流。正常使用时，不能超过此值，否则将平均电流。正常使用时，不能超过此值，否则将管子烧坏。管子烧坏。RMI反向峰值电流. 3 是指二极管反向截止时允许外加的最高反向工是指二极管反向截止时允许外加的最高反向工作电压。正常使用时，作电压。正常使用时， 应该是击穿电压的一半，应该是击穿电压的一半，否则将管子烧坏。否则将管子烧坏。RMU 是指在常温下二极管外加反向峰值电压时，是指在常温下二极管外加反向峰值电压时，流经管子的电流。此电流值受温度影响，硅管反流经管子的电流。此电流值受温度影响，硅管反向电流小，锗管较大。向电流小，锗管较大。3. 主要参数返回 电子技术基础解：解：【例例1.11.1】 求求F F点的电位，说明两个管子的作用。点的电位，说明两个管子的作用。承受反向电压而截止。优先导通，所以因为BV;3,DVDVVFABA设二极管为理想二极管设二极管为理想二极管起隔离作用。起钳位作用，BADD4. 含二极管电路的分析方法返回 电子技术基础 利用二极管的单向导电性，可用于整流、检波、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。能力知识点3 二极管的作用1.整流作用在在uiui正半周时二极管正向导通，输出信号同输入信号；正半周时二极管正向导通，输出信号同输入信号；在在uiui负半周时二极管反向截止，输出信号为零。负半周时二极管反向截止，输出信号为零。返回 电子技术基础2.钳位作用承受反向电压而截止。优先导通，所以因为BV;3,DVDVVFABA设二极管为理想二极管设二极管为理想二极管起隔离作用。起钳位作用，BADD返回 电子技术基础3.限幅作用tuisin10例例1.21.2 在下图（在下图（a）所示）所示电路中，已知输入电压 V，直流电源E=5V,二极管视为理想元件，画出输出电压。返回 电子技术基础当当 时，二极管时，二极管D截止，相当于开路，输出电压与输入截止，相当于开路，输出电压与输入电压相等，即电压相等，即 ，波形相同；，波形相同；Vui5iouu Vui5Vu50当当 时，二极管时，二极管D导通，相当于短路，输出电压导通，相当于短路，输出电压 输出电压的波形被限制在输出电压的波形被限制在5V以内，二极管起限幅作用。以内，二极管起限幅作用。 返回 电子技术基础4.开关作用 当当u ui i为为10V10V时，二极管阴极电位被抬高，处于时，二极管阴极电位被抬高，处于截止状态，将记忆电路和截止状态，将记忆电路和u us s断开；当断开；当u ui i为为0V0V时，时，二极管阴极电位降低，处于导通状态，将记忆电二极管阴极电位降低，处于导通状态，将记忆电路和路和u us s接通。这样，通过接通。这样，通过u ui i的信号输入，实现了的信号输入，实现了接通或断开接通或断开u us s信号的作用。信号的作用。返回 电子技术基础小结小结利用二极管的单向导电性，可用于整流、检波、元利用二极管的单向导电性，可用于整流、检波、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。件保护以及在数字电路中作为开关元件。二极管有点接触型和面接触型两种结构。二极管有点接触型和面接触型两种结构。二极管具有单向导电性：正向导通，反向截止。二极管具有单向导电性：正向导通，反向截止。返回 电子技术基础 1.稳压管基本知识稳压管基本知识+-符号符号1.2 特殊二极管能力知识点1 稳压管返回 稳压管是特殊的面接稳压管是特殊的面接触型二极管。触型二极管。 电子技术基础稳压管正常工作的区域是反向击穿区。稳压管正常工作的区域是反向击穿区。从反向特性上可以看出，从反向特性上可以看出，由于反向特性很陡，稳压由于反向特性很陡，稳压管中的电流可在很大范围管中的电流可在很大范围内变化，而其两端电压基内变化，而其两端电压基本不变。本不变。所以说稳压管具有稳压的所以说稳压管具有稳压的作用。作用。返回 电子技术基础（1 1）稳定电压）稳定电压 UZ（2 2）稳定电流）稳定电流IZ （3 3）最大稳定电流）最大稳定电流Izmax 稳压管正常工作时必须与一个电阻串联稳压管正常工作时必须与一个电阻串联才能起到稳压的作用。才能起到稳压的作用。RUZULRUL2. 主要参数3. 应用举例返回 电子技术基础【例例1.31.3】在图示电路中，已知在图示电路中，已知U=20V,UZ=6V。试求：试求：1.1.UL L ， 2.2.分析稳压原理分析稳压原理解：解：1.V6LU2.设电源电压波动设电源电压波动（负载不变）（负载不变）LRZZLUUIIUUU设负载变化（电源电压不变）设负载变化（电源电压不变）LRZZLLLUUIIUUIR返回 电子技术基础能力知识点2 发光二极管发光二极管同样具有单向导电性，正向导通发光二极管同样具有单向导电性，正向导通时发光，反向截止时不发光。时发光，反向截止时不发光。返回 电子技术基础能力知识点3 光敏二极管 光敏二极管工作在反向工作状态，没有光照射时，其光敏二极管工作在反向工作状态，没有光照射时，其反向电阻很大，反向电阻很大，PNPN结流过的反向电流很小；当光照射在结流过的反向电流很小；当光照射在PNPN结结上时，在上时，在PNPN结内部产生的电子空穴对在结内部产生的电子空穴对在PNPN结内电场作用下作结内电场作用下作定向运动，形成定向运动，形成光电流光电流。光照越强，光电流也越强。光照越强，光电流也越强。返回 电子技术基础1.3 二极管整流电源整流电路整流电路: :交流电压变为脉动的直流电压。交流电压变为脉动的直流电压。滤波电路滤波电路: :脉动的直流电压脉动的直流电压转转变为平滑的直流电压。变为平滑的直流电压。稳稳压电路压电路: :使输出电压稳定使输出电压稳定, ,不受电网波动及负载不受电网波动及负载变化的影响。变化的影响。返回能力知识点能力知识点1 1 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成 电子技术基础能力知识点2 整流电路1.1.单相半波整流电路单相半波整流电路整流电路有半波整流、全波整流和桥式整流电路。整流电路有半波整流、全波整流和桥式整流电路。u1u2 0时，二极管时，二极管D导通导通，忽略二极管正向压降忽略二极管正向压降, , u0= u2 u2 0时，二极管时，二极管D1和和D3导通导通，D2和和D4截止，截止，忽略二极管忽略二极管的的正向压降正向压降, , u0= u2 。 返回 电子技术基础u2 uC时，时，二极管二极管D仍然仍然导通导通，uo= u2 。当当u2 C B C B从尺寸上，从尺寸上，C E BC E B结构特点：结构特点：集电区面集电区面积较大积较大基区较薄，基区较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低发射区掺发射区掺杂浓度较高杂浓度较高返回 电子技术基础B BE EC CN NN NP P基极基极发射极发射极集电极集电极集电结集电结两个两个PNPN结：结：发射结发射结返回 电子技术基础实验电路：实验电路：是基极电阻。是基极电源，BBRE是集电极电阻。是集电极电源，CCRE发射极是公共端，发射极是公共端，这种接法称为共发这种接法称为共发射极接法。射极接法。发射结外加正向电压，集电结外加反向电压。发射结外加正向电压，集电结外加反向电压。2. 电流放大原理返回 电子技术基础实验结果：实验结果：的变化如下表。发射极电流集电极电流，基极电流改变ECBBIIIR,mAIB/mAIE/mAIC/01. 0001. 00001. 001. 002. 07 . 072. 004. 05 . 154. 104. 054. 106. 03 . 236. 208. 01 . 318. 31 . 095. 305. 4BCEIIIBCII 4002. 08 . 004. 006. 05 . 13 . 2BCII结论：结论：晶体管具有电流放大作用晶体管具有电流放大作用。返回 电子技术基础mAIB/mAIE/mAIC/01. 0001. 00001. 001. 002. 07 . 072. 004. 05 . 154. 104. 054. 106. 03 . 236. 208. 01 . 318. 31 . 095. 305. 44002. 08 . 004. 006. 05 . 13 . 2BCII 要使三极管能要使三极管能放大电流，发射结放大电流，发射结必须正偏，集电结必须正偏，集电结必须反偏。必须反偏。IC与与IB之比称为电流之比称为电流放大倍数放大倍数，即，即BCII返回 电子技术基础用晶体管的载流子运动规律解释放大原理：用晶体管的载流子运动规律解释放大原理：进入进入P P区的电区的电子小部分与子小部分与基区的空穴基区的空穴复合，形成复合，形成基极电流基极电流I IB B，多数电子继多数电子继续向集电结续向集电结扩散。扩散。发射结正偏，发射结正偏，发射区电子不发射区电子不断向基区扩散，断向基区扩散，形成发射极电形成发射极电流流I IE E。返回 电子技术基础集电结反偏，集电结反偏，少子空穴向少子空穴向基区飘移，基区飘移，形成反向电形成反向电流流ICBOCBO。由于集电结反由于集电结反偏，从基区扩偏，从基区扩散来的电子穿散来的电子穿过集电结而被过集电结而被收集，形成集收集，形成集电极电流电极电流I IC C。BCII结论：结论：由于集电区的由于集电区的空穴数空穴数IC，UCE 0.3VIB= 0,IC0,UBE 0返回 电子技术基础共射接法的放大电路共射接法的放大电路直流电流放大倍数：直流电流放大倍数：BCII_（1 1）电流放大系数）电流放大系数 BEUCICEUBI交流电流放大倍数：交流电流放大倍数：BCII在计算中，一般作近似处理：在计算中，一般作近似处理： = =4. 主要参数返回 电子技术基础（2）集）集-基极反向截止电流基极反向截止电流 ICBO AICBOICBO 是集电结反偏由少子的漂移形成是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，其值受温度的变化影响。的反向电流，其值受温度的变化影响。返回 电子技术基础（3 3）集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流 ICEO AICEOICEO 是基极开路时，由集电极流入发射极的是基极开路时，由集电极流入发射极的电流，其值受温度变化的影响。电流，其值受温度变化的影响。ICEO= ICBO +ICBO=(1+ ) ICBO返回 电子技术基础（4 4）集电极最大电流）集电极最大电流ICM 集电极电流集电极电流IC上升会导致晶体管的上升会导致晶体管的 值下值下降，当降，当 值下降到正常值的三分之二时的集电值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为极电流即为ICM。 当基极开路时，允许加在集射极之间的当基极开路时，允许加在集射极之间的最大电压，即为最大电压，即为 。当。当UCE超过此值时，超过此值时，晶体管就会击穿。晶体管就会击穿。CEOU（5）集射极反向击穿电压）集射极反向击穿电压CEOU返回 电子技术基础（6）集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM集电极电流集电极电流IC流过晶体管，所消耗的功流过晶体管，所消耗的功率为率为PC=ICUCE其后果必定导致结温上升，所以要限制其后果必定导致结温上升，所以要限制PC。正常工作时，正常工作时，PC PCM返回 电子技术基础UCEOICM晶体管正常工作的区域晶体管正常工作的区域返回 电子技术基础解：解：(a)放大状态（硅管）放大状态（硅管）(b)放大状态（锗管）放大状态（锗管）(c) 饱和状态饱和状态（硅管）（硅管）(d)截止状态截止状态（锗管）（锗管）判断下图中晶体管的工作状态。判断下图中晶体管的工作状态。【例例1.61.6】返回V1 . 0V6V2 . 0V6V7 . 6V12(a)(b)(d)(c)V10V6V2 . 0V7 . 0V0V3 . 0V1 . 0 电子技术基础色环电阻色环电阻电阻排电阻排返回 电子技术基础电容电容极性电容极性电容返回 电子技术基础晶体管、场效应管、晶闸管晶体管、场效应管、晶闸管整流桥、电感、集成电路芯片整流桥、电感、集成电路芯片二二极极管管返回 电工与电子技术基础 第10章 常用半导体器件电子技术基础第1章结 束
