電工電子5-2課件

5.1PN結及其單向導電性5.2半導體二極管5.3穩(wěn)壓二極管5.6光電器件常用半導體器件第5章5.4半導體三極管5.5絕緣柵場效應管15.1PN結及其單向導電性5.1.1半導體基礎知識導體:自然界中很容易導電的物質.例如金屬。絕緣體：電阻率很高的物質，幾乎不導電;如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。半導體：導電特性處于導體和絕緣體之間的物質，例如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等半導體的特點當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。21.本征半導體GeSi本征半導體的導電機理純凈的半導體。如：硅和鍺1）最外層四個價電子。2）共價鍵結構+4+4+4+4共價鍵共用電子對+4表示除去價電子后的原子33）在絕對0度和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。+4+4+4+44）在熱或光激發(fā)下，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。+4+4+4+4空穴束縛電子自由電子5在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。+4+4+4+45）自由電子和空穴的運動形成電流6可見因熱激發(fā)而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。72.雜質半導體雜質半導體使某種載流子濃度大大增加。在本征半導體中摻入某些微量雜質。1）N型半導體在硅或鍺晶體（四價）中摻入少量的五價元素磷，使自由電子濃度大大增加。多數載流子（多子）：電子。取決于摻雜濃度；少數載流子（少子）：空穴。取決于溫度。9+4+4+5+4N型半導體多余電子磷原子102）P型半導體在硅或鍺晶體（四價）中摻入少量的三價元素硼，使空穴濃度大大增加。多數載流子（多子）：空穴。取決于摻雜濃度；少數載流子（少子）：電子。取決于溫度。+4+4+3+4空穴硼原子11雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體135.1.2PN結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結。

因濃度差

多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內電場內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

14P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結處載流子的運動15漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場EPN結處載流子的運動所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。17－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)18

1）PN結加正向電壓時的導電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是,內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。19空間電荷區(qū)中沒有載流子?？臻g電荷區(qū)中內電場阻礙多子（P中的空穴、N中的電子）的擴散運動。P中的電子和N中的空穴（都是少子），數量有限，因此由它們形成的漂移電流很小。空間電荷區(qū)中內電場推動少子（P中的電子、N中的空穴）的漂移運動。215.1.3PN結的單向導電性PN結加正向電壓（正向偏置）：P區(qū)接電源的正極、N區(qū)接電源的負極。PN結加反向電壓（反向偏置）：P區(qū)接電源的負極、N區(qū)接電源的正極。22PN結正向偏置－－－－++++內電場外電場變薄PN+_內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。I正23PN結的單向導電性正向特性反向特性歸納◆◆P（+），N（-），外電場削弱內電場，結導通，I大；I的大小與外加電壓有關；P（-），N（+），外電場增強內電場，結不通，I反很?。籌反的大小與少子的數量有關，與溫度有關；255.2半導體二極管5.2.1基本結構PN結+

管殼和引線PN陽極陰極符號：VD26半導體二極管27半導體二極管295.2.2伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)正向特性：EVDI反向特性：EVDI反U<死區(qū)電壓，不通；U>死區(qū)電壓，導通；UII反很小，與溫度有關；U擊穿電壓，擊穿導通；I305.2.3主要參數1.最大整流電流IOM2.最大反向工作電壓URM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管正常工作時允許承受的最大反向工作電壓。手冊上給出的最高反向工作電壓URM一般是UBR的一半。3.最大反向電流IRM指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。311.理想二極管U>0，VD導通；UD=0，I取決于外電路；相當于一個閉合的開關EVDIUDEIUU

0，VD截止；I=0，UD（負值）取決于外電路；相當于一個斷開的開關EVDI反UDEI反U5.2.4應用舉例322.二極管的應用電路如圖示：已知E=5V，ui=10sintVRVDEuiuO解：此類電路的分析方法：當D的陽極電位高于陰極電位時，D導通，將D作為一短路線；當D的陽極電位低于陰極電位時，D截止，將D作為一斷開的開關；將二極管看成理想二極管uituOt10V5V5V削波例1求：uO的波形33RRLuiuRuotttuiuRuo設=RCtp，求uo的波形tp例234電路如圖示：已知

VA=3VVB=0V求：VF=？解：此類電路的分析方法：將二極管看成理想二極管。當幾個二極管共陽極或共陰極連接時，承受正向電壓高的二極管先導通。VDB通，VF=0VRVDAAVDBB+12VF箝位隔離例3355.3穩(wěn)壓二極管UIUZIZIZmaxUZIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。1.結構和符號：結構同二極管2.伏安特性：穩(wěn)壓值同二極管VDZ穩(wěn)壓誤差+-+-363.主要參數1）穩(wěn)定電壓UZ2）動態(tài)電阻ZZIUZrdd=3）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。4）最大允許功耗UIUZIZminIZmax374.穩(wěn)壓管與二極管的主要區(qū)別穩(wěn)壓管運用在反向擊穿區(qū)二極管運用在正向區(qū)；穩(wěn)壓管比二極管的反向特性更陡。38

穩(wěn)壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。UOVDZRRL+－39已知圖示電路中，UZ=6V，最小穩(wěn)定電流IZmin=5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA，負載電阻RL=600Ω，求限流電阻R的取值范圍。RIRUOVDZRLILIDZ+－UI=10V解：由：得：uiO△u△iIZUZIZM例4405.4半導體三極管5.4.1三極管的基本結構NPN型PNP型BEC基極發(fā)射極集電極NNPPPNBEC發(fā)射極集電極基極41基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高BEC基極發(fā)射極集電極NNP42BEC基極發(fā)射極集電極NNP發(fā)射結集電結431.放大狀態(tài)BECNNPEBRBEcRC5.4.2三極管的工作原理放大的條件：發(fā)射結正偏，集電結反偏EB保證發(fā)射結正偏，EC>EB保證集電結反偏。44進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IB

，多數擴散到集電結。BECNNPEBRBEc發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。IEIBRCIB45從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成IC。BECNNPEBRBEcIEICIBICRCIB46IC與IB之比稱為電流放大倍數靜態(tài)電流放大系數：動態(tài)電流放大系數：通常：47BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管注意！只有：發(fā)射結正偏，集電結反偏，晶體管才能工作在放大狀態(tài)。482.飽和狀態(tài)當三極管的UCE<UBE時，BC結處于正向偏置，此時，即使再增加IB，IC也不會增加了。飽和狀態(tài)飽和的三極管相當于一個閉合的開關3.截止狀態(tài)當三極管的UBE<UT時，BE結處于反向偏置。截止狀態(tài)截止的三極管相當于一個斷開的開關495.3.4三極管的特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB實驗線路：輸入特性：輸出特性：發(fā)射結電壓UBE與基極電流IB的關系；集電極電流IC與管壓降UCE的關系。50死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V（1）輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VUBEIB工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V51（2）輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A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)）。52IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域UCEUBE,集電結正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。53IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。54特性歸納輸入特性同二極管的正向特性UBEIB輸出特性一組曲線（一個IB對應一條曲線）UBE>0，UCE>UBE發(fā)射結正偏，集電結反偏IC=IB電流放大作用UBE<0，IB0

發(fā)射結反偏UBE>0，UCE<UBEIC=IB發(fā)射結正偏，集電結正偏無電流放大作用放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)55IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A565.4.4主要參數直流電流放大倍數：1.電流放大倍數交流電流放大倍數：兩者非常接近，通常用作：一般為20~200572.集-射極反向截止電流ICEOAICEO基極開路時的集電極電流。隨溫度變化。所以集電極電流應為：IC=

IB+ICEO而ICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。583.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。4.集電極最大允許功耗PCMPC=ICUCE必定導致結溫上升，所以PC有限制。PCPCM595.集-射極反向擊穿電壓當集---射極之間的電壓UCE超過一定的數值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。6.集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導致結溫上升，所以PC有限制。PCPCM60ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)615.5絕緣柵型場效應管場效應管是一種利用電場效應來控制電流的半導體器件。其作用有放大、開關、可變電阻。特點：輸入電阻很大；便于集成分類：結型（N溝道、P溝道）

絕緣柵型增強型（N溝道、P溝道） 耗盡型（N溝道、P溝道）625.5.1基本結構和工作原理P型硅襯底源極柵極漏極PNNGSDSiO2絕緣層兩個N區(qū)襯底引線1.基本結構N溝道增強型金屬鋁導電溝道GSD源極柵極漏極63N溝道耗盡型預埋了導電溝道GSDPNNGSD64GSDP溝道增強型NPPGSD源極柵極漏極65P溝道耗盡型GSD預埋了導電溝道NPPGSD662.MOS管的工作原理以N溝道增強型為例UDSUGSPNNGSD67PNNGSDUDSUGSUGS=0時D-S間相當于兩個反接的PN結ID=0對應截止區(qū)68PNNGSDUDSUGSUGS>0時UGS足夠大時（UGS>UTH）感應出足夠多電子，這里以電子導電為主出現N型的導電溝道。感應出電子UTH稱為開啟電壓69PNNGSDUDSUGSUGS較小時，導電溝道相當于電阻將D-S連接起來，UGS越大此電阻越小。705.5.2增強型N溝道MOS管的特性曲線0IDUGSVT跨導：當漏源間電壓UDS保持一定值時，漏極電流ID與柵源極電壓UGS的關系曲線。1.轉移特性71當柵源間電壓UGS

UTH并保持一定值時，漏極電流ID與漏源極電壓UDS的關系曲線IDUDS0UGS=3VUGS=4VUGS=5VⅠⅡⅠ區(qū)：UDS較小時ID隨UDS的增加而增加，相當于一個可變電阻可變電阻區(qū)Ⅱ區(qū)：UDS較大時ID只隨UGS的變化而變化，UGS一定時，相當于一個壓控恒流源恒流區(qū)2.輸出特性曲線72