電工電子學(PPT)-4.ppt

第4章常用半導體器件 太原理工大學電工基礎教學部 第4章常用半導體器件第5章基本放大電路第6章集成運算放大器第7章直流穩(wěn)壓電源 模塊2 模擬電子技術 第4章常用半導體器件 4 1PN結和半導體二極管 4 2特殊二極管 4 3半導體三極管 4 4絕緣柵型場效應晶體管 第4章常用半導體器件 1 理解PN結的單向導電性 三極管的電流分配和電流放大作用 2 了解二極管 穩(wěn)壓管和三極管的基本造 工作原理和特性曲線 理解主要參數的意義 3 會分析含有二極管的電路 4 了解場效應管的電流放大作用 主要參數的意義 本章要求 4 1PN結和二極管 4 1 1 半導體的導電特性 1 概念 半導體 導電能力介乎于導體和絕緣體之間 如鍺 硅 砷化鎵和一些硫化物 氧化物等 影響半導體導電能力的因素 光照 導電能力 如 光敏元件 溫度 導電能力 如 熱敏元件 摻雜 純凈的半導體中摻入微量的某些雜質 會使半導體的導電能力明顯改變 常用的半導體材料 鍺Ge 硅Si 硅和鍺為四價元素 最外層有四個價電子 32 14 2 8 18 4 2 8 4 2 本征半導體 純凈的 具有晶體結構的半導體 最外層八個電子的穩(wěn)定結構 共價鍵內的價電子對 共價鍵 共價鍵結構穩(wěn)定 導電能力很弱 價電子 本征激發(fā) 熱激發(fā) 空穴 自由電子 兩種載流子 半導體中有自由電子和空穴兩種載流子 本征半導體兩端外加電壓時 將出現兩部分電流 電子流和空穴流 復合 復合使自由電子和空穴成對減少 在一定溫度下 熱激發(fā)和復合處于動平衡狀態(tài) 半導體中的載流子數目一定 溫度升高 光照增強使價電子擺脫原子核的束縛 自由電子與空穴相遇 多余電子 3 雜質半導體 N型半導體 電子半導體 本征半導體中摻入微量的五價元素磷 空穴 P型半導體 空穴半導體 本征半導體中摻入微量的三價元素硼 4 1 2PN結 同一片半導體基片上 分別制造P型半導體和N型半導體 在它們的交界面處形成的特殊區(qū)域 1 PN結 2 PN結的形成 P區(qū)和N區(qū)的載流子濃度不同 由載流子的濃度差 多子擴散 正負離子顯電性 建立空間電荷區(qū) 形成內電場 內電場 空間電荷區(qū)寬度確定 PN結形成 PN結 空間電荷區(qū) PN結也稱為高阻區(qū) 耗盡層 3 PN結的單向導電性 PN結正向導通 現象 燈亮 電流大 mA級 原因 使PN結變窄 由多數載流子形成較大的正向電流 結論 PN結正向導通 正向電流大 正向電阻小 PN結變窄 PN結反向截止 現象 燈不亮 電流很小 A級 原因 方向一致 使PN結變寬 由少數載流子形成很小的反向電流 結論 PN結反向截止 反向電流小 反向電阻大 PN結變寬 4 1 3半導體二極管 1 基本結構及符號 點接觸型 結面小 結電容小 適用高頻小電流場合 如 檢波電路 數字開關電路 面接觸型 結面大 結電容大 用在低頻電路如 整流電路 半導體二極管圖片 半導體二極管圖片 2 伏安特性 UBR 反向擊穿電壓 正向特性 導通后管壓降 反向特性 溫度對二極管的影響 溫度升高二極管正向壓降減小 溫度 載流子 導電能力 等效電阻 正向壓降UD 溫度升高二極管反向電流增大 溫度 少數載流子 反向電流 理想二極管的開關特性 正向導通 反向截止 開關閉合 開關斷開 由理想二極管組成的電路如圖所示 求電壓UAB 解 圖 a D正向導通 UD 0 電壓UAB 6V 解 圖 b D1導通 UD1 0 D2截止 電壓UAB 0V 解 圖 c D1優(yōu)先導通 UD1 0 電壓UAB 3V 6V 3V D2截止 3 主要參數 1 最大整流電流IDM 二極管長期使用時 允許流過二極管的最大正向平均電流 點接觸型 幾十mA 面接觸型較大 2 反向工作峰值電壓URM 二極管不被反向擊穿時允許承受的最大反向電壓 一般URM是UBR的一半 或三分之二 3 反向峰值電流IRM 在URM下對應的反向電流 IRM愈小愈好 4 1 4二極管的應用 1 限幅電路限幅器的功能就是限制輸出電壓的幅度 電路如圖 已知ui 10sin t V 且E 5V 試分析工作原理 并作出輸出電壓uo的波形 解 圖 a ui E D截止 uR 0 輸出uo ui 電路為正限幅電路 ui E D導通 uD 0 輸出uo E 2 二極管整流作用 圖示兩個電路 已知ui 10sin t V 試畫出輸出電壓uo的波形 解 圖 a ui 0 D導通 uo 0 ui 0 D截止 uo ui 圖 b ui 0 D導通 uo ui ui 0 D截止 uo 0 3 二極管的檢波作用 電路中RC構成微分電路已知ui的波形 試畫出輸出電壓uo的波形 解 t 0時 uR為正脈沖 t t1時 uR為負脈沖 t t2時 uR為正脈沖 uR 0時 D截止 輸出uo 0 uR 0時 D導通 輸出uo uR負脈沖 UA UB DA先導通 DA起箝位作用 使UF 3V UB UF DB截止 將UB與UF隔離 DA DB 為理想二極管 4 二極管的箝位和隔離應用 電路中 輸入端UA 3V UB 0V 試求輸出端F的電位UF 解 5 二極管門電路 F A B 二極管與門 分析 真值表 邏輯表達式 邏輯符號 F A B 二極管或門 分析 真值表 邏輯表達式 邏輯符號 4 2特殊二極管 1 結構和符號 4 2 1穩(wěn)壓二極管 面接觸型硅二極管 2 伏安特性 正向特性與普通硅二極管相同 未擊穿區(qū) oa段 I 0 反向截止 擊穿區(qū) 穩(wěn)壓區(qū)ab段 特性陡直 電壓基本不變 具有穩(wěn)定電壓作用 熱擊穿區(qū) b點以下線段 過熱燒壞PN結 3 穩(wěn)壓二極管的參數 3 電壓溫度系數 U 4 穩(wěn)定電流IZ 最大穩(wěn)定電流Izmax 使用時穩(wěn)壓管的電流要大于IZ 小于最大穩(wěn)定電流Izmax 5 最大允許功耗PZM 穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗 圖示電路中 DZ1的UZ1 8 5V DZ2的UZ2 5 5V 正向壓降均為UD 0 5V 試求圖中輸出電壓Uo 解 解 如果超過 應該增大R1或減小R2 1 符號和特性 符號 特性 工作條件 反向偏置 2 主要參數 電學參數 暗電流 光電流 最高工作范圍 光學參數 光譜范圍 靈敏度 峰值波長 實物照片 4 2 2 光電二極管 4 2 3發(fā)光二極管 當管子接正向電壓 有電流通過時 會發(fā)出光線 不同半導體材料的二極管發(fā)出的光線的顏色不同 發(fā)光二極管用于信號指示 數碼管顯示器 發(fā)光二極管是一種將電能轉換成光能的顯示器件 發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管相似 死區(qū)電壓為0 9 1 1V 其正向工作電壓為1 5 2 5V 工作電流為5 15mA 反向擊穿電壓較低 一般小于10V 磷砷化鎵 GaAsP 材料發(fā)紅光或黃光 磷化鎵 GaP 材料發(fā)紅光或綠光 氮化鎵 GaN 材料發(fā)藍光 碳化硅 SiC 材料發(fā)黃光 砷化鎵 GaAs 材料發(fā)不可見的紅外線 4 3半導體三極管 4 3 1三極管結構及其放大作用 NPN型 PNP型 1 結構及類型 發(fā)射結 集電結 半導體三極管圖片 基區(qū) 摻雜濃度最低并且很薄 集電區(qū) 摻雜濃度較低 發(fā)射區(qū) 摻雜濃度最高 2 晶體管的電流分配關系和放大作用 晶體管的電流放大的條件 內部條件 三個區(qū)摻雜濃度不同 厚薄不同 外部條件 發(fā)射結加上正向電壓 集電結加上反向電壓 晶體管的電流分配關系 晶體管電流測試數據 IC IE IB IC與IB之比稱為直流 靜態(tài) 電流放大系數 由KCL得 IE IC IB 結論 IC IE IB IC與 IB之比稱為交流 動態(tài) 電流放大倍數 IC 3 放大原理 B E N N P 發(fā)射到基區(qū)電子被收集和復合的比例系數就是電流放大系數 4 3 2特性曲線及主要參數 輸入回路 輸入特性IB f UBE UCE 輸出回路 輸出特性IC f UCE IB 死區(qū)電壓 硅管0 5V 鍺管0 2V 令UCE 常數IB f UBE 1 輸入特性 工作壓降 UBE 0 6 0 7V 硅管UBE 0 2 0 3V鍺管 2 輸出特性 放大區(qū) 當UCE大于一定的數值時 IC只與IB有關 IC IB 此區(qū)域滿足IC IB稱為線性區(qū) 放大區(qū) 此區(qū)域中 IB 0 IC ICEO UBE 死區(qū)電壓 稱為截止區(qū) 0 截止區(qū) ICEO 此區(qū)域中UCE UBE 集電結正偏 IC不受IB影響 UCE 0 稱為飽和區(qū) 0 飽和區(qū) UCES 3 主要參數 前述電路中 三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點 稱為共射接法 相應地還有共基 共集接法 共射直流電流放大系數 電流放大系數 和 共射交流電流放大系數 常用的小功率晶體管 值一般為20 200 集 基極反向電流ICBO ICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流 受溫度的變化影響 兩個極間電流 溫度 少子 ICBO ICBO越小越好 集 射極穿透電流ICEO ICEO不受IB控制 IB 0時 IC ICEO IB 0時 IC IB ICEO 電流ICEO 受溫度變化的影響較大 所以集電極電流應為 IC IB ICEO 當溫度上升時 ICEO增加 IC也相應增加 所以三極管的溫度特性較差 ICEO越小越好 不宜超過100 B E C N N P IB 0 1 ICBO 集電極最大允許電流ICM IC 當 值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM 極限參數 集 射極反向擊穿電壓U BR CEO 基極開路時集 射極之間的擊穿電壓U BR CEO 集電極最大允許耗散功率PCM 晶體管允許結溫下的最大熱損耗 使用晶體管時 IC ICM UCE U BR CEO UCEIC PCM PCM UCEIC 安全工作區(qū) o 頻率參數 共射截止頻率f 晶體管的 值隨頻率而發(fā)生變化 頻率較低時 值基本不變 頻率較高時 開始下降 降到0 707倍時的頻率 稱為截止頻率f 4 3 3三極管的開關特性 非門 反相器 邏輯表達式 波形 放大電路中T1管各極電位為Ux 10V Uy 0V Uz 0 7V T2管各極電位Ux 0V Uy 0 3V Uz 5V 試判斷T1和T2的管子類型和材料 x y z各是何電極 解 NPN型管 UC UB UE PNP型管 UCUz Uy 所以x為集電極 y為發(fā)射極 z為基極 管子為NPN型 圖 b x與y的電壓為0 3V 為鍺管 因Uz Uy Ux 所以z為集電極 x為發(fā)射極 y為基極 管子為PNP型 圖示電路中 晶體管均為硅管 30 試分析各晶體管的工作狀態(tài) a 解 1 因為基極偏置電源 6V大于管子的導通電壓 故管子的發(fā)射結正偏 管子導通 電流 因為IC ICS 所以管子工作在飽和區(qū) b 2 因為基極偏置電源 2V小于管子的導通電壓 管子的發(fā)射結反偏 管子截止 所以管子工作在截止區(qū) 3 因為基極偏置電源 2V大于管子的導通電壓 故管子的發(fā)射結正偏 管子導通 電流 因為IC ICS 所以管子工作在放大區(qū) 4 4場效晶體管 FET 場效晶體管與雙極型晶體管不同 它是電壓控制元件 輸出電流取決于輸入電壓 不需要信號源提供電流 輸入電阻高 可達109 1015 溫度穩(wěn)定性好 耗盡型 增強型 4 4 1絕緣柵場效應管 結構和符號 P型襯底 絕緣柵場效應管是一種金屬 M 氧化物 O 半導體 S 結構的場效應管 簡稱為MOS MetalOxideSemiconductor 管 金屬鋁電極 兩個N 區(qū) 1 溝道增強型MOS管 柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的 稱絕緣柵型場效應管 P溝道增強型MOS管結構圖 UGS 0感應出電子 出現以電子導電的N型導電溝道 工作原理 P N N G S D UGS 0時 UGS UT 當UGS 0時 UDS 0 但ID 0 UDS一定 UGS值越大 電場作用越強 導電的溝道越寬 溝道電阻越小 ID就越大 開啟電壓UT UGS th 當UGS UT UDS 0時 UGS ID 輸出特性 截止區(qū) UGS UT電流ID 0管子處于截止狀態(tài) 擊穿區(qū) 區(qū) 當UDS太大時 PN結反向擊穿 使ID急劇增加 會造成管子損壞 轉移特性 其中IDSS是UGS 2UT時的ID值 2 溝道耗盡型MOS管 預埋了導電溝道 耗盡型NMOS管輸出特性 耗盡型NMOS管轉移特性 UP UGS off 夾斷電壓 UGS UP UGS off 時 導電溝道消失 ID 0 UGS 溝道加寬 ID UGS 溝道變窄 ID 1 場效應管的特點 1 在場效應管中 溝道是唯一的導電通道 導電過程只有一種極性的多數載流子 為單極型管 2 場效應管是通過柵源UGS電壓來控制電流ID 為壓控元件 3 場效應管輸入電阻大 輸出電阻高 4 場效應管的跨導gm的值小 5 漏源極可互換使用 6 有較高的熱穩(wěn)定性 4 4 2場效應管的特點和主要參數 2 場效應管的主要參數 直流參數