电工电子技术ppt课件第5章.ppt

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1、常用半导体器件常用半导体器件第第 5 5 章章5.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性5.2 半导体二极管半导体二极管5.3 稳压二极管稳压二极管5.6 光电器件光电器件常用半导体器件常用半导体器件第第 5 章章5.4 半导体三极管半导体三极管5.5 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管本章学习目标本章学习目标l理解电子和空穴两种载流子及扩散运动和漂移运动的概念。理解电子和空穴两种载流子及扩散运动和漂移运动的概念。l掌握掌握PNPN结的单向导电性。结的单向导电性。l掌握二极管的伏安特性、主要参数及主要应用场合。掌握二极管的伏安特性、主要参数及主要应用场合。l掌握稳压管的稳压作用、主要参数及应用。掌

2、握稳压管的稳压作用、主要参数及应用。 l理解三极管的工作原理、特性曲线、主要参数、放大作用和理解三极管的工作原理、特性曲线、主要参数、放大作用和开关作用。开关作用。l会分析三极管的三种工作状态。会分析三极管的三种工作状态。l理解场效应管的恒流、夹断、变阻三种工作状态，了解场效理解场效应管的恒流、夹断、变阻三种工作状态，了解场效应管的应用。应管的应用。5.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性5.1.1 半导体基础知识半导体基础知识导导 体体: 自然界中很容易导电的物质自然界中很容易导电的物质.例如例如金属金属。绝缘体：绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电电阻率很高的物质，几乎不导电;如如橡皮

3、橡皮、陶瓷陶瓷、塑料塑料和和石英石英等。等。半导体：半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，导电特性处于导体和绝缘体之间的物质， 例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等半导体的特点半导体的特点当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。明显改变。1. 本征半导体本征半导体GeSi本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理纯净的半导体纯净的半导体。如：硅和锗如：硅和锗1）最外层四个价电子。）最外层四个价电

4、子。2）共价键结构）共价键结构+4+4+4+4共价键共用电子对共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难，常温下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使

5、原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+43）在绝对）在绝对0度和没有度和没有外界激发时外界激发时,价电子完全价电子完全被共价键束缚着，本征被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动半导体中没有可以运动的带电粒子（即的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。+4+4+4+44）在热或光激发）在热或光激发下，使一些价电子获下，使一些价电子获得足够的能量而脱离得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价，同时共价键上留下一个空位，键上留下一个空位，称为称为空穴空穴。+4+4+4+4空空穴

6、穴束缚束缚电子电子自由自由电子电子在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴动，因此可以认为空穴是载流子。是载流子。+4+4+4+45）自由电子和空穴的运动形成电流）自由电子和空穴的运动形成电流可见因热激发而出现的自由电子和空穴是可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为同时成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种本征半导体中存在数量相等

7、的两种载流载流子子，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度温度越高越高载流子的载流子的浓度浓度越高越高本征半本征半导体的导体的导电能力越强导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的载流子的浓度浓度。归纳归纳2. 杂质半导体杂质半导体杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。在本征半导体中掺入某些微量杂质。在本征半导体中掺入某些微量杂质。1）N型半导体型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加。多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度

8、；多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。+4+4+5+4N型型半导体半导体多余电子多余电子磷原子磷原子2）P型半导体型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。使空穴浓度大大增加。多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：电子。取决于温度。少数载流子（少子）：电子。取决于温度。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子归纳归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子、杂质半导体中起导电作用的

9、主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子型半导体中电子是多子，空穴是少子； P型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。浓度，少数载流子的数量取决于温度。杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P型半导体型半导体+N型半导体型半导体5.1.2 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基

10、片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了处就形成了PN结。结。 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。漂移运动P型半

11、导体型半导体N型半导型半导体体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动没有电荷运动，空间电荷区，空间电荷区的厚度固定不的厚度固定不变。变。+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区 1） PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的

12、正向电压有一外加的正向电压有一部分降落在部分降落在PN结区结区，方向与，方向与PN结内电结内电场方向相反，削弱了场方向相反，削弱了内电场。于是内电场。于是,内电场内电场对多子扩散运动的阻对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂漂移电流，可忽略漂移电流的影响，移电流的影响，PN结呈现低阻性。结呈现低阻性。 2. PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分外加的反向电压有一部分降落在降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相同，加结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多强了内电场。内电

13、场对多子扩散运动的阻碍增强，子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散于扩散电流，可忽略扩散电流，电流，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 在一定的温度条件下在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的基本上与所加反向电压的大小无关大小无关，这个电流也称这个电流也称为为反向饱和电流反向饱和电流。 空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载

14、流子。空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍多子多子（ P中的中的空穴、空穴、N中的电子）中的电子） 的的扩散运动。扩散运动。 P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），），数量有限，因此由它们形成的漂移电数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。流很小。空间电荷区中内电场推动空间电荷区中内电场推动少子少子（ P中的中的电子、电子、N中的空穴）中的空穴） 的的漂移运动。漂移运动。5.1.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加正向电压加正向电压（正向偏置）正向偏置）： P区区接电源的正极、接电源的正极、N区接电源的负极。区接电源的负极。PN结结加反向电压加反向

15、电压（反向偏置反向偏置）：）： P区区接电源的负极、接电源的负极、N区接电源的正极。区接电源的正极。PN结正向偏置结正向偏置+内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加强多子的扩散加强能够形成较大的能够形成较大的扩散电流。扩散电流。I正正PN结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强内电场被被加强，多子的扩散受，多子的扩散受抑制。少子漂移抑制。少子漂移加强，但少子数加强，但少子数量有限，只能形量有限，只能形成较小的反向电成较小的反向电流。流。I反反PN结的单向导电性结的单向导电性正向特性正向特性反向特性反向特性归纳归纳P（

16、+），），N（-），外电场削弱内电场，结导通，），外电场削弱内电场，结导通，I大；大；I的大小与外加电压有关；的大小与外加电压有关；P（-），），N（+），外电场增强内电场，结不通，），外电场增强内电场，结不通，I反反很小；很小；I反反的大小与少子的数量有关，与的大小与少子的数量有关，与温度有关；温度有关；5.2 半导体二极管半导体二极管5.2.1 基本结构基本结构PN结结 + 管壳和引线管壳和引线PN阳极阳极阴极阴极符号：符号：VD半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管5.2.2 伏安特性伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通

17、压降导通压降: 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)正向特性：正向特性：EVDI反向特性：反向特性：EVDI反反U死区死区电压，导电压，导通；通；UI I反反很小，与温度很小，与温度有关；有关；U 击穿电击穿电压，击穿导通；压，击穿导通；I 5.2.3 主要参数主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IOM2.最大反向工作电压最大反向工作电压URM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。手册上给。手册上

18、给出的最高反向工作电压出的最高反向工作电压URM一般是一般是UBR的一半。的一半。3. 最大反向电流最大反向电流 IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。1. 理想二极管理想二极管U 0，VD导通；导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一取决于外

19、电路；相当于一个闭合的开关个闭合的开关EVDIUDEIUU 0，VD截止；截止；I=0， UD（负值）取决于外电路；（负值）取决于外电路；相当于一个断开的开关相当于一个断开的开关EVDI反反UDEI反反U5.2.4 应用举例应用举例2.二极管的应用二极管的应用电路如图示：已知电路如图示：已知E=5V， ui=10sin t VRVDEuiuO解：解： 此类电路的分析方法：此类电路的分析方法：当当D的阳极电位高于阴极电位时，的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将导通，将D作为一短路线；作为一短路线；当当D的阳极电位低于阴极电位时，的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将截止，将D作为一断开的开关；作为

20、一断开的开关；将二极管看成理想二极管将二极管看成理想二极管ui tuO t10V5V5V削波削波例例1求：求： uO的波形的波形RRLuiuRuotttuiuRuo设设 =RC tp，求求uo的波形的波形tp例例2 2电路如图示：已知电路如图示：已知 VA=3VVB=0V 求求：VF=？解：解： 此类电路的分析方法：此类电路的分析方法：将二极管看成理想二极管。将二极管看成理想二极管。当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。正向电压高的二极管先导通。VDB通通， VF=0VRVDAAVDBB+12VF箝位箝位隔离隔离例例3 35.3

21、稳压二极管稳压二极管UIUZIZIZmax UZ IZ曲线越曲线越陡，电陡，电压越稳压越稳定。定。1.结构和符号：结构和符号：结构同二极管结构同二极管2.伏安特性：伏安特性：稳压值稳压值同二极管同二极管VDZ稳压稳压误差误差+-+-3.主要参数主要参数1）稳定电压）稳定电压 UZ2）动态电阻）动态电阻ZZIUZrdd=3）稳定电流）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。4）最大允许功耗）最大允许功耗maxZZZMIUP UIUZIZminIZmax4.稳压管与二极管的主要区别稳压管与二极管的主要区别稳压管运用在反向击穿区稳压管运用在反向击穿区 二极管运用在正

22、向区；二极管运用在正向区；稳压管比二极管的反向特性更陡。稳压管比二极管的反向特性更陡。 稳压二极管在工稳压二极管在工作时应反接，并作时应反接，并串入一只电阻。串入一只电阻。电阻的作用一是起电阻的作用一是起限流限流作用，以保护稳压管；作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳调节稳压管的工作电流压管的工作电流，从而起到稳压作用。，从而起到稳压作用。UO VDZRRL+已知图示电路中，已知图示电路中，UZ=6V，最，最小稳定电流小稳定电流IZmin=5mA，最大，最大

23、稳定电流稳定电流IZmax=25mA，负载电负载电阻阻RL=600 ，求限流电阻，求限流电阻R的的取值范围。取值范围。RIRUO VDZRLILIDZ+UI=10V解解：1046 . 064 RRRURUUIIILZZILRDZ由由：maxmin104ZZIRI得得：227R114RuiOuiIZUZIZM例例4 45. 4 半导体三极管半导体三极管5.4.1 三极管的基本结构三极管的基本结构NPN型型PNP型型BEC基极基极发射极发射极集电极集电极NNPPPNBEC发射极发射极集电极集电极基极基极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺

24、杂浓度较高杂浓度较高BEC基极基极发射极发射极集电极集电极NNPBEC基极基极发射极发射极集电极集电极NNP发射结发射结集电结集电结1. 放大状态放大状态BECNNPEBRBEcRC5.4.2 三极管的工作原理三极管的工作原理放大的条件：放大的条件：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏EB保证发射结正偏，保证发射结正偏，ECEB保证集电结反偏。保证集电结反偏。进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IB ，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。BECNNPEBRBEc发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，

25、形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IEIBRCIB从基区扩从基区扩散来的电散来的电子作为集子作为集电结的少电结的少子，漂移子，漂移进入集电进入集电结而被收结而被收集，形成集，形成IC。BECNNPEBRBEcIEICIBICRCIBBCII EBCIII IC与与IB之比称为之比称为电流放大倍数电流放大倍数BCII 静态电流放大系数：静态电流放大系数：动态电流放大系数：动态电流放大系数：BCII 通常：通常： BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管注意注意！只有：只有：发射结正偏，集电结反偏，发射结正偏，集电结反偏，晶体管才能工作在放大状态。晶体

26、管才能工作在放大状态。CBEVVVCBEVVV2. 饱和状态饱和状态当三极管的当三极管的UCEUBE时，时，BC结处于正向偏置，此时结处于正向偏置，此时，即使再增加，即使再增加IB，IC也不也不会增加了。会增加了。饱和状态饱和状态饱和的三极饱和的三极管相当于一管相当于一个闭合的开个闭合的开关关VUUREIIICESCECCCBC0,3. 截止状态截止状态当三极管的当三极管的UBEIC，UCE 0.3V称为称为饱和区。饱和区。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE0， UCE UBE 发

27、射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏IC = IB 电流放大作用电流放大作用UBE0， UCE 0时时UGS足够大时足够大时（UGSUTH）感应出足够多感应出足够多电子，这里以电子，这里以电子导电为主电子导电为主出现出现N型的导型的导电沟道。电沟道。感应出电子感应出电子UTH称为开启电压称为开启电压PNNGSDUDSUGSUGS较小时，较小时，导电沟道相当导电沟道相当于电阻将于电阻将D-S连接起来，连接起来，UGS越大此电越大此电阻越小。阻越小。5.5.2 增强型增强型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线0IDUGSVTGSDmUIg 跨导：跨导：当漏源间电压当漏源间电压U DS 保

28、持一定值时，漏极电流保持一定值时，漏极电流ID与栅源极电与栅源极电压压UGS的关系曲线。的关系曲线。1. 转移特性转移特性当栅源间电压当栅源间电压UGS UTH 并保持一定值时，漏极电流并保持一定值时，漏极电流ID与与漏源极电压漏源极电压U DS的关系曲线的关系曲线IDU DS0UGS=3VUGS=4VUGS=5V区：区：UDS较小时较小时ID随随UDS的增加而增加，的增加而增加，相当于一个相当于一个可变电阻可变电阻可变电阻区可变电阻区区：区：UDS较大时较大时ID只随只随UGS的变化而变的变化而变化，化， UGS一定时，一定时， 相相当于一个当于一个压控恒流源压控恒流源恒流区恒流区2. 输出

29、特性曲线输出特性曲线耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道时就有导电沟道，加，加反向电压才能夹断。反向电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSUoff夹断电压夹断电压输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS0不论栅不论栅源电压正、负或源电压正、负或0都能控制漏极都能控制漏极电流，但一般工作在负栅电流，但一般工作在负栅源电压状态源电压状态 P沟道绝缘栅场效应管的工作原理和特性沟道绝缘栅场效应管的工作原理和特性与与N沟道场效应管完全相同，两者只是在工沟道场效应管完全相同，两者只是在工作时所加电压的极性不同，当然

30、，产生电流作时所加电压的极性不同，当然，产生电流的方向也不同。的方向也不同。即：即：P沟道增强型场效应管在沟道增强型场效应管在UGS 0时时 导通导通5.6 光电器件光电器件1.发光二极管与光电二极管发光二极管与光电二极管1）发光二极管发光二极管LED 发光器件发光器件结构结构：由能发光的化合物半导体材料制作成：由能发光的化合物半导体材料制作成PN结结功能功能：将电能转换成光能。：将电能转换成光能。工作原理工作原理：PN结加正向电压导通时，发光；结加正向电压导通时，发光；PN结加反向电压截止时，不发光。结加反向电压截止时，不发光。导通电压导通电压：1 2V导通电流导通电流：几：几 几十毫安，须

31、接限流电阻几十毫安，须接限流电阻注意：光电二极管工作在反向状态！注意：光电二极管工作在反向状态！2）光电二极管光电二极管受光器件受光器件功能功能：将光能转换成电能。：将光能转换成电能。工作原理工作原理：光照时，产生随光照强度而增加的反向电流；：光照时，产生随光照强度而增加的反向电流；无光照时，反向电流很小。无光照时，反向电流很小。注意：光电三极管工作时，发射结正偏，注意：光电三极管工作时，发射结正偏，集电结反偏！集电结反偏！3）光电三极管光电三极管受光器件受光器件功能功能：将光能转换成电能，且有电流放大作用。：将光能转换成电能，且有电流放大作用。工作原理工作原理：无光照时，暗电流为：无光照时，暗电流为 IC=（1+ ）ICBO；有光照时，光电流为有光照时，光电流为 IC=（1+ ）IL 。IL为光照时流过集电结的反向电流。为光照时流过集电结的反向电流。E（-）C（+）特点：输入输出电气隔离，抗干扰能力强；特点：输入输出电气隔离，抗干扰能力强； 传输信号失真小，工作稳定可靠。传输信号失真小，工作稳定可靠。4）光电耦合器光电耦合器功能功能：由光将输入端的电信号传递到输出端。：由光将输入端的电信号传递到输出端。工作原理工作原理： 输入端加电信号输入端加电信号 发光二极管发光发光二极管发光光电三极管受光产生电流输出光电三极管受光产生电流输出+-CEEND