電子技術(shù)第10章課件

第10章常用半導(dǎo)體器件本章主要內(nèi)容本章主要介紹半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管和半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和主要特征，為后面將要討論的放大電路、邏輯電路等內(nèi)容打下基礎(chǔ)

。【引例】如何實(shí)現(xiàn)的？手機(jī)及內(nèi)部電路10.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性10.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性10.1.1本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)圖本征半導(dǎo)體：純凈的、晶格完整的半導(dǎo)體。這樣的半導(dǎo)體稱為晶體，用這樣的材料制成的管子稱為晶體管。

10.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)價(jià)電子自由電子空穴光照10.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性說(shuō)明：半導(dǎo)體中有兩種電流：自由電子電流和空穴電流，這是和導(dǎo)體導(dǎo)電本質(zhì)區(qū)別。且由于自由電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，故對(duì)外不顯電性。填補(bǔ)10.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性2．P型半導(dǎo)體在硅或鍺的本征半導(dǎo)體中摻入微量的3價(jià)硼（B）元素，則形成P型半導(dǎo)體。+3摻入+3填補(bǔ)空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子，故P型半導(dǎo)體也稱為空穴型半導(dǎo)體，硼原子也稱為受主雜質(zhì)10.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性10.1.3PN結(jié)1．PN結(jié)的形成10.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性10.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性總結(jié)：PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很小，正向電流很大，PN結(jié)正向?qū)?，電流方向從P型區(qū)流向N型區(qū)；PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很大，反向電流很小，近似為零，PN結(jié)反向截止。PN結(jié)的這種特性稱為單向?qū)щ娦浴?0.2半導(dǎo)體的二極管10.2.1基本結(jié)構(gòu)整流二極管發(fā)光二極管穩(wěn)壓二極管開關(guān)二極管10.2半導(dǎo)體的二極管半導(dǎo)體的二極管型號(hào)說(shuō)明：舉例2.反向特性10.2半導(dǎo)體的二極管二極管的伏安特性-+當(dāng)二極管加反向電壓并小于某電壓（擊穿電壓）時(shí)，由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成很小的反向電流，硅管為nA級(jí)，鍺管為μA級(jí)，故二極管反向截止。（1）反向截止區(qū)一、它隨溫度的升高增長(zhǎng)很快；注意：反向電流的特點(diǎn)二、反向電流與反向電壓的大小無(wú)關(guān)，基本不變稱它為反向飽和電流。（2）反向擊穿區(qū)當(dāng)反向電壓增加到擊穿電壓時(shí)，反向電流將突然增大，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，二極管反向?qū)?，造成不可恢?fù)的損壞。10.2半導(dǎo)體的二極管10.2.3主要參數(shù)為了正確使用二極管，除了理解其伏安特性之外，還要掌握其相應(yīng)的參數(shù)，以便選擇二極管。1．最大整流電流IFM

IFM二極管長(zhǎng)時(shí)間正向?qū)〞r(shí)，允許流過的最大正向平均電流。在使用時(shí)不能超過此值，否則將因二極管過熱而損壞。

2．反向峰值電壓URMURM是指二極管反向截止時(shí)允許外加的最高反向工作電壓，URM的數(shù)值大約等于二極管的反向擊穿電壓UBR的一半，以確保管子安全工作。3．反向峰值電流IFMIRM是指在常溫下二極管加反向峰值電壓URM時(shí)，流經(jīng)管子的電流。它說(shuō)明了二極管質(zhì)量的好壞，反向電流大說(shuō)明它的單向?qū)щ娦圆睿沂軠囟扔绊懘?。硅管比鍺管的反向電流小。10.2半導(dǎo)體的二極管10.2.4應(yīng)用舉例由于半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦?，因而得到了廣泛應(yīng)用。在電路中，常用來(lái)作為整流、檢波、鉗位、隔離、保護(hù)、開關(guān)等元件使用。【例10.2-1】二極管電路如圖(a)和(b)所示，試分析二極管的工作狀態(tài)和它們所起的作用。設(shè)二極管為理想二極管。(2)在圖(b)所示電路中，移開二極管，求兩端電位，即10.2半導(dǎo)體的二極管【例10.2-1】二極管電路如圖(a)和(b)所示，試分析二極管的工作狀態(tài)和它們所起的作用。設(shè)二極管為理想二極管?！窘狻慷O管陽(yáng)極電位低于陰極電位，是反偏，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)開路，使Uo=6V，起隔離作用。

在如圖所示電路中，移開兩個(gè)二極管，并求它們兩端陽(yáng)極到陰極的電位差，即10.2半導(dǎo)體的二極管【例10.2-2】在如圖所示電路中，試分析二極管VD1和VD2的工作狀態(tài)，并求輸出電壓Uo之值。設(shè)二極管為理想二極管。【解】由于VD2兩端電壓高于VD1，故其優(yōu)先導(dǎo)通。使得Uo=-10V，使VD1反偏。故VD2起鉗位作用，VD1起隔離作用，隔離了+10V電源。10.2半導(dǎo)體的二極管【例10.2-3】在如圖所示電路中，已知US=5V，ui=10sinωtV，試畫出輸出電壓uo的波形。設(shè)二極管為理想二極管?！窘狻縑D導(dǎo)通起限幅作用VD截止10.3特殊二極管穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型硅二極管，由于它在電路中與適當(dāng)阻值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，故稱穩(wěn)壓管。10.3.1穩(wěn)壓二極管外型符號(hào)伏安特性比較陡應(yīng)用電路主要參數(shù)（1）UZ是穩(wěn)定電壓；（2）IZ是穩(wěn)定電流；（3）IZm是最大穩(wěn)定電流。

10.3特殊二極管【例10.3-1】試分析如圖所示電路中穩(wěn)壓管VDZ的穩(wěn)壓作用。【解】在電路的實(shí)際工作中，電源電壓U的波動(dòng)、負(fù)載的變化都會(huì)引起輸出電壓UL的波動(dòng)。1．設(shè)電源電壓波動(dòng)（負(fù)載不變）2．設(shè)負(fù)載變化（電源電壓不變）說(shuō)明：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路是通過穩(wěn)壓管電流IZ的調(diào)節(jié)作用和限流電阻R上電壓降UR的補(bǔ)償作用而使輸出電壓穩(wěn)定的?！纠?0.3-2】試設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，如圖所示。已知：電源電壓U=20V，負(fù)載電阻RL=0.8kΩ，負(fù)載所需穩(wěn)定電壓UL=12V。選擇穩(wěn)壓管VDZ和限流電阻R。10.3特殊二極管【解】(1)負(fù)載電流IL為(2)選擇穩(wěn)壓管VDZ穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=UL=12V，可選擇2CW60型硅穩(wěn)壓管（見附錄3），其UZ=12V,IZ=5mA,IZm=19mA。(3)選限流電阻RIZ=5mAIZm=19mA取R=300Ω10.3特殊二極管10.3.3光電二極管光電二極管是利用PN結(jié)的光敏特性制成的，它將接收到的光的變化轉(zhuǎn)換為電流的變化。外型符號(hào)工作電路說(shuō)明：當(dāng)無(wú)光照時(shí)，其反向電流很小，稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，產(chǎn)生較大的反向電流，稱為光電流。光照愈強(qiáng)，光電流也愈大。10.3特殊二極管10.3.4光耦合器光耦合器是由發(fā)光器件和光敏器件組成的。外型即內(nèi)部電路原理電路說(shuō)明：光耦合器是用光傳輸電信號(hào)的電隔離器件（兩管之間無(wú)電的聯(lián)系）。10.4半導(dǎo)體三極管10.4.1基本結(jié)構(gòu)各種半導(dǎo)體三極管的外型圖按結(jié)構(gòu)分類：NPNPNP10.4.2載流子分配及電流放大原理10.4半導(dǎo)體三極管共射極放大電路放大條件內(nèi)部條件①發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高②基區(qū)很薄③集電結(jié)面積大外部條件①發(fā)射結(jié)結(jié)正偏②集電結(jié)反偏輸入輸出各極電流（mA）測(cè)量結(jié)果IB-0.00100.020.040.060.080.10IC0.0010.010.701.502.303.103.95IE00.010.721.542.363.184.0510.4半導(dǎo)體三極管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：①IE

=IC+IB②③10.4半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)：10.4半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)示意圖三個(gè)結(jié)論：(1)發(fā)射極電流IE、基極電流IB、集電極電流IC的關(guān)系是IE=IB+IC；載流子運(yùn)動(dòng)過程：①發(fā)射結(jié)正偏：發(fā)射區(qū)發(fā)射電子到基區(qū)②少量電子在基區(qū)與空穴復(fù)合，大部分運(yùn)動(dòng)到集電結(jié)；③集電結(jié)反偏：集電區(qū)收集電子。(2)集電極電流IC、基極電流IB的關(guān)系是IC=βIB

；(3)晶體管的電流放大作用，實(shí)質(zhì)上為晶體管的控制作用，即較小電流IB控制大電流IC。10.4半導(dǎo)體三極管10.4.3特性曲線1．輸入特性曲線輸入特性曲線是指當(dāng)集-射極電壓UCE為常數(shù)時(shí)，輸入回路（基極回路）中基極電流IB與基-射極電壓UBE之間的關(guān)系曲線，即輸入特性曲線特點(diǎn)：①UCE≥1曲線重合；②當(dāng)UBE小于死區(qū)電壓時(shí)，IB=0，三極管截止；當(dāng)UBE大于死區(qū)電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，IB隨UBE快速增大。發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為硅管：鍺管：測(cè)試電路10.4半導(dǎo)體三極管2．輸出特性曲線輸出特性曲線是指當(dāng)基極電流IB為常數(shù)時(shí)，輸出電路（集電極回路）中集電極電流IC與集-射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線，即測(cè)試電路輸出特性曲線特點(diǎn)：①當(dāng)IB一定時(shí)，在UCE=0～1V區(qū)間，隨著UCE的增大，IC線性增加。當(dāng)UCE超過1V后，當(dāng)UCE增高時(shí)，IC幾乎不變，即具有恒流特性；②當(dāng)IB增大時(shí)，IC線性增大，遠(yuǎn)大于IB，且IC受IB控制，這就是晶體管的電流放大作用的表現(xiàn)。飽和區(qū)：IB增加，IC小于IB，IC≠IB，晶體管失去電流放大作用。飽和時(shí)，電壓∣UCE∣=0.2～0.3V（鍺管為0.1～0.2V），數(shù)值很小，近似為零，晶體管的C、E極之間相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。10.4半導(dǎo)體三極管輸出特性曲線③通常把晶體管的輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū)：輸出特性曲線的三個(gè)工作區(qū)放大區(qū)：IC與IB基本上成正比關(guān)系，即IC=IB，發(fā)射結(jié)為正偏，集電結(jié)為反偏；截止區(qū)：IB=0，即IC=ICEO≈0，發(fā)射結(jié)為反偏，集電結(jié)為反偏；晶體管的C、E極之間相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)；10.4半導(dǎo)體三極管10.4.4主要參數(shù)1．共射極電流放大系數(shù)β和β說(shuō)明：共發(fā)射極靜態(tài)（又稱直流）電流放大系數(shù)共發(fā)射極動(dòng)態(tài)（又稱交流）電流放大系數(shù)(2)晶體管的b值在20～200之間。10.4半導(dǎo)體三極管2．集-基極反向飽和電流ICBOICBO是當(dāng)發(fā)射極開路（IE=0）時(shí)的集電流IC，是由少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)（主要是集電區(qū)的少數(shù)載流子向基區(qū)運(yùn)動(dòng)）產(chǎn)生的，它受溫度影響很大。注意：在室溫下，小功率鍺管的ICBO約為幾微安到幾十微安，小功率硅管在1μA以下。3．集-射極穿透電流ICEOICEO是基極開路（IB=0）時(shí)的集電極電流IC

，且注意：溫度升高時(shí)，ICBO增大，ICEO隨著增加，集電極電流IC亦增加，且β值亦不能太大，一般為50~100。10.4半導(dǎo)體三極管4．集電極最大允許電流ICM集電極電流IC超過一定值時(shí)，值要下降。ICM為晶體管值下降到正常值2/3時(shí)的集電極電流。5．集-射極擊穿電壓BUCEOBUCEO為基極開路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，當(dāng)超過此值時(shí)，晶體管集電結(jié)會(huì)被擊穿而損壞。6．集電極最大允許耗散功率PCM

PCM為當(dāng)晶體管因受熱而引起的參數(shù)變化不超過允許值時(shí)，集電極所消耗的最大功率。PCM主要受晶體管的溫升限制，一般來(lái)說(shuō)鍺管允許結(jié)溫為70℃～90℃，硅管約為150℃。由PCM、ICM和BUCEO圍成的區(qū)域稱為三極管的安全工作區(qū)

ICMBUCEO10.4半導(dǎo)體三極管【例10.4-1】放大電路中的晶體管VT1和VT2如圖所示，用直流電壓表測(cè)得各點(diǎn)對(duì)地電位值是：V1=8V,V2=1.2V,V3=1.9V；V4=-3.3V,V5=-9V,V6=-3.1V。(1)確定VT1的類型和各電極；(2)確定VT2的類型和各電極?！窘狻坑捎赩1最高，故1為集電極，且為NPN型。2是發(fā)射極，3是基極。由于V5最低，故5為集電極，且為PNP型。6是發(fā)射極，4是基極。(1)VT1管：V3-V2=1.9-1.2=0.7V(2)VT2管：V4-V6=-3.3-(-3.1)=-0.2V10.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效晶體管是又一種性能特殊的半導(dǎo)體三極管，外形也與普通晶體管相似。但其工作原理卻截然不同?！飬^(qū)別：（1）晶體管發(fā)射結(jié)在放大時(shí)是正向偏置，故其輸入阻抗?。?03Ω的數(shù)量級(jí)）；場(chǎng)效應(yīng)管輸入回路PN結(jié)工作于反偏，或輸入端完全處于絕緣狀態(tài)，故其輸入阻抗可高達(dá)107Ω～1012Ω。（2）晶體管有兩種導(dǎo)電粒子參與導(dǎo)電：自由電子和空穴，故稱為雙極型。由于少數(shù)載流子參與導(dǎo)電，故工作點(diǎn)受溫度影響大，不穩(wěn)定；場(chǎng)效應(yīng)管只有一種導(dǎo)電粒子-多子參與導(dǎo)電，故稱為單極型，其噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)；（3）晶體管屬于電流控制電流器件，場(chǎng)效應(yīng)管屬于電壓控制電流器件。10.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管★分類：場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JunctionFieldEffectTransistor,JFET)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道10.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管10.5.1N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管1．基本結(jié)構(gòu)外形圖