第1章半導(dǎo)體器件

1、第二部分電子技術(shù)模擬電子技術(shù)半導(dǎo)體器件（第1章） 交流放大電路（第2章）集成運(yùn)算放大器（第3章）電源技術(shù)（第4章）第1章半導(dǎo)體器件1.11.21.31.4 1.5 1.6半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體二極管硅穩(wěn)壓二極管半導(dǎo)體三極管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管電力半導(dǎo)體器件 第1章 1. 11.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1本征半導(dǎo)體將純凈的沒(méi)有晶格缺陷的半導(dǎo)+4+4+4體單晶稱征硅原子半導(dǎo)體。它是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。+4+4+4價(jià)電子零度和沒(méi)有外界+4+4+4激發(fā)時(shí),本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 第1章 1. 1 在常溫下自由電子和空穴的形成 +4+4+4成對(duì)消失復(fù)合+4+4+4空穴自由電子本征激發(fā)成對(duì)出現(xiàn)+4

2、+4+4 第1章 1. 1在外電場(chǎng)作用下，自由電子和空穴均參與導(dǎo)電?？昭▽?dǎo)電的實(shí)質(zhì)是共價(jià)+4+4+4+4+4+4電子移動(dòng)方向子依次填補(bǔ)空 穴形成電流。 故半導(dǎo)體中有 自由電子和空 穴兩種載流子。空穴移動(dòng)方向+4+4+4 外電場(chǎng)方向 價(jià)電子填補(bǔ)空穴 第1章 1. 11.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1. N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的五價(jià)元素， 如磷, 則形成N 型半導(dǎo)體。電子是多數(shù)載流子, 空穴。+4+4+4正離子+4+5+4自由電子+4+4+4 第1章 1. 12. P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價(jià)元素， 如硼，則形成P 型半導(dǎo)體?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子, 電子是少數(shù)載流子。+4+4+4負(fù)離子+4

3、+3+4空穴填補(bǔ)空位+4+4+4 第1章 1. 11. 半導(dǎo)體：純凈的、具有完整的晶格結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體單晶2. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性： 溫度特性：T 10C 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增加一倍 光照特性：有光照時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會(huì)增加 摻雜特性：摻入雜質(zhì)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會(huì)大大增加3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體特性：兩種載流子導(dǎo)電 與金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電特性的差別 N型半導(dǎo)體：多子 自由電子，少子 空穴 P型半導(dǎo)體：少子 自由電子，多子 空穴小結(jié)：半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 第1章 1. 11.1.3PN 結(jié)的形成PN 結(jié)1.利用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上,形成P型半導(dǎo)體區(qū)域和N型半導(dǎo)體區(qū)域,在這兩個(gè)區(qū)域的交界處形成了一個(gè)PN 結(jié)

4、。空間電荷區(qū)P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向 第1章 1. 1在一定的條件下，多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來(lái)。空間電荷區(qū)P 區(qū)N 區(qū)多子擴(kuò)散少子漂移內(nèi)電場(chǎng)方向 第1章 1. 12.PN 結(jié)的單向?qū)щ娦詀.P區(qū)N區(qū)I內(nèi)電場(chǎng)方向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流R外電場(chǎng)方向E空間電荷區(qū)變窄 第1章 1. 1b. 外加反向電壓多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行空間電荷區(qū)變寬P 區(qū)N 區(qū)IR內(nèi)電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向R少數(shù)載流子越過(guò)PN結(jié)形成很小的反向電流E 第1章 1.PN結(jié)加正向電壓時(shí):具有較大的正向擴(kuò)散電流(多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的擴(kuò)散電流)， 呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)加反向電壓時(shí):具

5、有很小的反向漂移電流(在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無(wú)關(guān)， 所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。 )，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?第1章 1. 21.2半導(dǎo)體二極管1.2.1二極管的基本結(jié)構(gòu)正極引線二氧化硅保護(hù)層正極引線觸絲正極PN結(jié)PN結(jié)N型鍺支架外殼PN型硅負(fù)極負(fù)極引線負(fù)極引線二極管的符號(hào)面接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管 第1章 1. 第1章 1. 21.2.2二極管的伏安特性I / mAI / mA1284600400200正向特性100 4050 800.40.80反向擊穿特性00.40.8U / VU / V

6、0.10.2 0.1 0.2死區(qū)電壓反向特性硅管的伏安特性鍺管的伏安特性表達(dá)式UT 溫度電壓當(dāng)量，常溫下UT = 26 mVI = IS (e U/UT 1) 第1章 1. 21.2.3二極管的主要參數(shù) 最大整流電流 IF ：的最大正向平均電流 最高反向工作電壓 UDRM = (1/2 2/3) UBR 反向電流 IR：在給定電壓下的反向電流 小結(jié)：PN結(jié)的單向?qū)щ娦?I / mA外加正向電壓：PN結(jié)導(dǎo)通結(jié)電阻很小，電流大外加反向電壓：PN結(jié)截止結(jié)電阻很大，電流0UBRU / VIFIR 第1章 1. 2理想二極管的等效電路UD+ID正向偏置(UD 0)DDI / mA反向偏置(UD 0)正向

7、特性反向特性DU / V 第1章 1. 21.2.4二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用范圍很廣, 它可用于整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。 整流：將交流電 直流電； 限幅：將號(hào)幅度限制在一定數(shù)值上； 元件保護(hù)：為電感性元件電流提供泄放通路，避免過(guò)電壓燒壞元件，通常稱為續(xù)流二極管。 第1章 1. 2二極管的應(yīng)用舉例1. 二極管鉗位和限幅例1：下圖中, 已知: VA= 3.3V, VB= 0V, DA、DB為鍺管，求輸出端Y的電位并說(shuō)明二極管的作用。解： DA優(yōu)先導(dǎo)通，則VY = 3.3 0.3 = 3VDA導(dǎo)通后, DB因反偏ADAYB而截止，起DA起鉗位作用,作用；將Y端DBR的

8、電位鉗制在 +3V。12V電路為二極管或門。 第1章 1. 2ui / V例2:下圖是二極管限幅電路， 設(shè) ui = 6 sinw t V，E= 3V， 若D 為理想二極管。63w tp2p試：畫出 u 和 u 的波形。o+ uR R6uo /V+R+uo+uiuDD30w tp2p3VE6uR /V符合 KVLui = uR + uo30w tp2p 第1章 1. 2例3：雙向限幅電路(設(shè)D 為理想二極管)+ uR ui / VR630+ui1E3Vuow tpE2p3VD26uo /V輸出電壓uo 的正、負(fù)半周均被削波。303p2ptu +DD+ 第1章 1. 22. 二極管整流將交流電變

9、成直流電稱為整流。（1）單相半波整流電路u22 U2ouo2 U2oiw tp2p3pDTio+uow t+p2p3puDoIm o uDoRLuu21w tp2p3pw tp2p3p2 U2 第1章 1. 2DTio+uou22 U2+uD +u1+u2RLt0p2p3p uo2 U2Uo0ioIm0uD0u2=2U2sinwt電路計(jì)算w tu 的電壓平均值：p3p2po1U=2Usint dto220w tp2p3p2 U 2=02 U- coswt =22w tp2p3p2 U2Uo = 0.45 U2 第1章 1. 2輸出電壓的平均值： Uo = 0.45 U2= Uo= 0.45U2

10、負(fù)載電流的平均值： IoRRLL二極管截止時(shí)所承受的最高反向電壓為：=UDRM2 U2（2）單相橋式整流電路整流電路中最常用ioD2RBD1 A的是單相橋式整流電路， +uou1u2L-它由四個(gè)二極管D1 D4-D4D3接成電橋的形式。 第1章 1. 2io+工作原理D2RBD3D1 A+u1-+uouu2L2-D4t0uo在u2的正半周，D1和D3導(dǎo)通，D2 和D4截止(相當(dāng)于開路) 。t0uD0uD1、uD3io+DD2RL1At+uouu21u、u+-B-D2D4D4D3在一個(gè)周期內(nèi)，通 過(guò)電阻的電流方向相同， 在負(fù)載上得到的是全波 整流電壓uo。在u2的負(fù)半周，D2 和 D4導(dǎo)通, D

11、1和D3 截止(相當(dāng)于開路)， 第1章 1. 2忽略二極管D的正向壓降， 認(rèn)為uo 的波形和u 的正半波是相同的。輸出電壓的平均值為u2Uw t3po= 102U sinwtd (wt )Uo22UUooioIm= 22 U= 0.9Uw t22p Uo = 0.9U2I0=U0/RLw toU 是變壓器副方正弦電壓的有效值pp2截止管所承受的最高反向電壓為uDouD3 uD1w tuD2uD4-2U二極管中的平均電流ID = 1 Io2U DRM =2U 2puO2ppp2p22p3p3p3 第1章 1. 2下圖是單相橋式整流電路的簡(jiǎn)化畫法io+uo-+uRL-整流橋符號(hào)注意橋式整流電路輸出

12、電壓的極性io+u-uo+RL-整流橋符號(hào) 第1章 1.整流電路計(jì)算公式電路類型電路參數(shù)單相半波整流電路單相橋式整流電路負(fù)載上輸出電壓平均值UoUo= 0.45U2Uo = .2二極管截止時(shí)所承受的最高反向電壓UDRMUDRM=2U 2UDRM=2U 2負(fù)載電流平均值 IoI= Uo = 0.45U2oRRLLI= Uo = 0.9U2oRRLL二極管的平均電流 IDID = IoI=1 ID2o注：U 2 為變壓器副方交流電壓有效值。 第1章 1. 2例：已知負(fù)載電阻RL = 80 W，負(fù)載電壓Uo = 110V。，= UO= 110 A = 1.4A解:負(fù)載電流IOR80LI= 1 I每個(gè)

13、二極管通過(guò)的平均電流= 0.7ADO2= Uo= 110 V = 122V變壓器副邊電壓的有效值為U20.90.9=2 122V =172.5VUDRM因此可選用，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為200V晶體二極管。 第1章 1. 2二極管導(dǎo)通時(shí)給電，時(shí)電容向負(fù)載放電；濾波后輸出電壓uo的波形變得平緩,平均值提高。3. 濾波電路（1）電容濾波半波整流電容濾波電路DTio+u+u+CuD+uo估算公式:Uo = 1.0U2RL12= 2U2 UDRM22 U2uo0p3pwt2pu2 第1章 1. 2放電時(shí)間常數(shù)t = RLC 越大, 脈動(dòng)越小, 輸出電壓的平均值越高。一般要求T全波整流

14、電容濾波電路io+u+uu+CuRL12R C (3 5)Co-L2Uo = 1.2U2uo2 U2=U DRM2U 2tU 時(shí)， u =U ；io，DZZZ0 0，UBC VB VERBUBBUBE輸入回路輸出回路公共端通常NPN型硅管的發(fā)射結(jié)電壓PNP型鍺管的發(fā)射結(jié)電壓UBE= 0.2V 0.3V。UBE= 0.6V 0.7V， 第1章 1. 4三極管具有電流作用的外部條件 :（1）發(fā)射結(jié)正向偏置； （2）集電結(jié)反向偏置。共發(fā)射極接法放大電路ICICRCRUCUCCIBCC+I+UCEPCN CBBNBUCEPR+PERBNEBUBEUBEUBBUBB對(duì)NPN 型管應(yīng)滿足：對(duì)PNP 型管應(yīng)

15、滿足： UBE 0 即VC VB 0 ；UBC VB VE 第1章 1. 4電子流向電源正極形成 IC集電區(qū)收集電子IC電源正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴,形成 IBC電子NPRBCRUCCBIBNUBB電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子IEE電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成發(fā)射極電流IE三極管的電流放大示意圖 第1章 1. 4由于基區(qū)很薄，摻雜濃度又很小，電子在基區(qū)擴(kuò)散的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合的數(shù)量。所以有：IC IB所以說(shuō)三極管具有電流DIC DIB同樣有:作用, 也稱之為電流放大作用。IC+RCI直流電流放大系數(shù)CUCCBBICUCEb =+RBEIBUBE交流電流放大系數(shù)IE= DI CU

16、BBDI BI=ICBIE = IB + IC 第1章 1. 41.4.3 三極管的特性曲線1. 三極管的輸入特性IBIB = f (UBE)UCE = 常數(shù)UCE1VIC+UCERCIBCUCCBREBUBE0UIEBE死區(qū)電壓UBB輸入回路輸出回路+ 第1章 1. 42.三極管的輸出特性IC = f (UCE)I= 常數(shù)BICIB = 60AIB增加IB = 40AIB 減小IB = 20A0UCE 第1章 1. 4三極管輸出特性上的三個(gè)工作區(qū)域 臨界飽 和線I/ mAC80 A放60 A40 A區(qū)20AIB= 0 AUCE /V0U小IC 小截止區(qū)CE飽 和 區(qū) 第1章 1. 43. 三

17、極管的三個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)三極管的三種工作狀態(tài)三極管的放大區(qū)對(duì)應(yīng)三極管的放大狀態(tài) (NPN)（1） 發(fā)射結(jié)正向偏置；（2） 集電結(jié)反向偏置。VC VB VE且 IC = b IB三極管的飽和區(qū)對(duì)應(yīng)三極管的飽和狀態(tài)發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正向偏置UCE =UCC - RCIC且ICS UC /RCUCE 0UCE UBEIB增加時(shí)，IC基本不變，晶體管C、E 之間相當(dāng)于短路= ICSIBSb三極管的截止區(qū)對(duì)應(yīng)三極管的截止?fàn)顟B(tài)集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均反向偏置IB= 0、IC 0、UCE UCC即UBE 0C、E之間相當(dāng)于開路 第1章 1.NPN型晶體管飽和狀態(tài)條 （1）發(fā)射結(jié)正向偏置；+UCC（2）集電結(jié)正向偏置。件RCC

18、UCE b = VCES 0.3V飽和正偏正偏0.7VRC b VCC 0截止反偏反偏0飽和條件I I= ICS= VCC BBSRC 第1章 1. 41三.4極.4管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)1.4.4ICb =(1) 直流流大系數(shù)IBD ICD IB(2) 交流電流放大系數(shù)=IC = ICEO + b IBICM穿透電流2.3.4.5.ICEO集電極最大電流集-射反向擊穿電壓 U(BR)極CEO限參數(shù)PCM極限參數(shù)1.4.5 三極管的微變等效電路 第1章 1. 4三極管在小信號(hào)(微變量)情況下工作時(shí),可以在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)用直線段近似地代替三極管的特性曲線， 三極管就可以等效為一個(gè)線性元件。這樣就可以將非線性元件三極管所組成的放大電路等效為一個(gè)線性電路。1. 三極管的微變等效電路在晶體管的輸入特性曲線上，將工作UCEIB點(diǎn)Q附近的工作段近似地看成直線， 當(dāng)UCE為常數(shù)時(shí)，rUBE與rIB之比DUBEubeQ=r