電工電子5-2課件

5.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.2半導(dǎo)體二極管5.3穩(wěn)壓二極管5.6光電器件常用半導(dǎo)體器件第5章5.4半導(dǎo)體三極管5.5絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管15.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體:自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì).例如金屬。絕緣體：電阻率很高的物質(zhì)，幾乎不導(dǎo)電;如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，例如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等半導(dǎo)體的特點(diǎn)當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。21.本征半導(dǎo)體GeSi本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理純凈的半導(dǎo)體。如：硅和鍺1）最外層四個(gè)價(jià)電子。2）共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)+4+4+4+4共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4表示除去價(jià)電子后的原子33）在絕對(duì)0度和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。+4+4+4+44）在熱或光激發(fā)下，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)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(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。+4+4+4+45）自由電子和空穴的運(yùn)動(dòng)形成電流6可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。72.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體使某種載流子濃度大大增加。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)。1）N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體（四價(jià)）中摻入少量的五價(jià)元素磷，使自由電子濃度大大增加。多數(shù)載流子（多子）：電子。取決于摻雜濃度；少數(shù)載流子（少子）：空穴。取決于溫度。9+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子磷原子102）P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體（四價(jià)）中摻入少量的三價(jià)元素硼，使空穴濃度大大增加。多數(shù)載流子（多子）：空穴。取決于摻雜濃度；少數(shù)載流子（少子）：電子。取決于溫度。+4+4+3+4空穴硼原子11雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體135.1.2PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

14P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)15漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，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(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。19空間電荷區(qū)中沒有載流子?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子（P中的空穴、N中的電子）的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。P中的電子和N中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的漂移電流很小?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)推動(dòng)少子（P中的電子、N中的空穴）的漂移運(yùn)動(dòng)。215.1.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)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(fù)極。PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）：P區(qū)接電源的負(fù)極、N區(qū)接電源的正極。22PN結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。I正23PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉蛱匦苑聪蛱匦詺w納◆◆P（+），N（-），外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)，結(jié)導(dǎo)通，I大；I的大小與外加電壓有關(guān)；P（-），N（+），外電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，結(jié)不通，I反很??；I反的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度有關(guān)；255.2半導(dǎo)體二極管5.2.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)+

管殼和引線PN陽(yáng)極陰極符號(hào)：VD26半導(dǎo)體二極管27半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通；UII反很小，與溫度有關(guān)；U擊穿電壓，擊穿導(dǎo)通；I305.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM2.最大反向工作電壓URM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。二極管正常工作時(shí)允許承受的最大反向工作電壓。手冊(cè)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(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。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(dǎo)通；UD=0，I取決于外電路；相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)EVDIUDEIUU

0，VD截止；I=0，UD（負(fù)值）取決于外電路；相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)EVDI反UDEI反U5.2.4應(yīng)用舉例322.二極管的應(yīng)用電路如圖示：已知E=5V，ui=10sintVRVDEuiuO解：此類電路的分析方法：當(dāng)D的陽(yáng)極電位高于陰極電位時(shí)，D導(dǎo)通，將D作為一短路線；當(dāng)D的陽(yáng)極電位低于陰極電位時(shí)，D截止，將D作為一斷開的開關(guān)；將二極管看成理想二極管uituOt10V5V5V削波例1求：uO的波形33RRLuiuRuotttuiuRuo設(shè)=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(dāng)幾個(gè)二極管共陽(yáng)極或共陰極連接時(shí)，承受正向電壓高的二極管先導(dǎo)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(jié)構(gòu)和符號(hào)：結(jié)構(gòu)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(shù)1）穩(wěn)定電壓UZ2）動(dòng)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(yùn)用在反向擊穿區(qū)二極管運(yùn)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(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過(guò)該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)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(fù)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(dǎo)體三極管5.4.1三極管的基本結(jié)構(gòu)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(jié)集電結(jié)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(jié)正偏，集電結(jié)反偏EB保證發(fā)射結(jié)正偏，EC>EB保證集電結(jié)反偏。44進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IB

，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。IEIBRCIB45從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成IC。BECNNPEBRBEcIEICIBICRCIB46IC與IB之比稱為電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大系數(shù)：動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)：通常：47BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管注意！只有：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，晶體管才能工作在放大狀態(tài)。482.飽和狀態(tài)當(dāng)三極管的UCE<UBE時(shí)，BC結(jié)處于正向偏置，此時(shí)，即使再增加IB，IC也不會(huì)增加了。飽和狀態(tài)飽和的三極管相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)3.截止?fàn)顟B(tài)當(dāng)三極管的UBE<UT時(shí)，BE結(jié)處于反向偏置。截止?fàn)顟B(tài)截止的三極管相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)495.3.4三極管的特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB實(shí)驗(yàn)線路：輸入特性：輸出特性：發(fā)射結(jié)電壓UBE與基極電流IB的關(guān)系；集電極電流IC與管壓降UCE的關(guān)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(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，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(jié)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(gè)IB對(duì)應(yīng)一條曲線）UBE>0，UCE>UBE發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)C=IB電流放大作用UBE<0，IB0

發(fā)射結(jié)反偏UBE>0，UCE<UBEIC=IB發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏無(wú)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(shù)直流電流放大倍數(shù)：1.電流放大倍數(shù)交流電流放大倍數(shù)：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(shí)的集電極電流。隨溫度變化。所以集電極電流應(yīng)為：IC=

IB+ICEO而ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)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(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。4.集電極最大允許功耗PCMPC=ICUCE必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC有限制。PCPCM595.集-射極反向擊穿電壓當(dāng)集---射極之間的電壓UCE超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開路時(shí)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(guò)三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導(dǎo)致結(jié)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(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用有放大、開關(guān)、可變電阻。特點(diǎn)：輸入電阻很大；便于集成分類：結(jié)型（N溝道、P溝道）

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

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