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文檔簡介
半導(dǎo)體元件及其特性1-1半導(dǎo)體二極管1.PN結(jié)的形成在半導(dǎo)體材料(硅、鍺)中摻入不同雜質(zhì)可以分別形成N型和P型兩種半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體主要依靠自由電子導(dǎo)電,稱自由電子為多數(shù)載流子,而空穴數(shù)量遠少于電子數(shù)量,稱空穴為少數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電,稱空穴為多數(shù)載流子,而自由電子遠少于空穴的數(shù)量,稱自由電子為少數(shù)載流子。PN結(jié)的形成與特性
當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸以后,由于交界兩側(cè)半導(dǎo)體類型不同,存在電子和空穴的濃度差。這樣,P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散,N區(qū)的電子向P區(qū)擴散,如圖1.1.1(a)所示。由于擴散運動,在P區(qū)和N區(qū)的接觸面就產(chǎn)生正負離子層。N區(qū)失掉電子產(chǎn)生正離子,P區(qū)得到電子產(chǎn)生負離子。通常稱這個正負離子層為PN結(jié)。在PN結(jié)的P區(qū)一側(cè)帶負電,N區(qū)一側(cè)帶正電。PN結(jié)便產(chǎn)生了內(nèi)電場,內(nèi)電場的方向從N區(qū)指向P區(qū)。內(nèi)電場對擴散運動起到阻礙作用,電子和空穴的擴散運動隨著內(nèi)電場的加強而逐步減弱,直至停止。在界面處形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)。2.PN結(jié)的特性
1)正向?qū)ńoPN結(jié)加正向電壓,即P區(qū)接正電源,N區(qū)接負電源,此時稱PN結(jié)為正向偏置。這時PN結(jié)外加電場與內(nèi)電場方向相反,當(dāng)外電場大于內(nèi)電場時,外加電場抵消內(nèi)電場,使空間電荷區(qū)變窄,有利于多數(shù)載流子運動,形成正向電流。外加電場越強,正向電流越大,這意味著PN結(jié)的正向電阻變小。正向?qū)ǚ聪蚪刂?)反向截止給PN結(jié)加反向電壓,稱PN結(jié)反向偏置,如圖所示。這時外加電場與內(nèi)電場方向相同,使內(nèi)電場的作用增強,PN結(jié)變厚,多數(shù)載流子運動難于進行,有助于少數(shù)載流子運動,形成電流IR,少數(shù)載流子很少,所以電流很小,接近于零,即PN結(jié)反向電阻很大。
綜上所述,PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕诱螂妷簳r,PN結(jié)電阻很小,電流IR較大,是多數(shù)載流子的擴散運動形成的;加反向電壓時,PN結(jié)電阻很大,電流IR很小,是少數(shù)載流子運動形成的。
接在二極管P區(qū)的引出線稱二極管的陽極,接在N區(qū)的引出線稱二極管的陰極。二極管有許多類型。從工藝上分,有點接觸型和面接觸型;按用途分,有整流管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管和開關(guān)二極管等。二極管的結(jié)構(gòu)和類型1.二極管伏安特性
理論分析指出,半導(dǎo)體二極管電流I與端電壓U之間的關(guān)系可表示為
I=IS(
-1)此式稱為理想二極管電流方程。式中,IS稱為反向飽和電流,UT稱為溫度的電壓當(dāng)量,常溫下UT≈26mV。實際的二極管伏安特性曲線如圖所示。圖中,實線對應(yīng)硅材料二極管,虛線對應(yīng)鍺材料二極管。二極管的特性及參數(shù)1)正向特性當(dāng)二極管承受正向電壓小于某一數(shù)值時,還不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子運動的阻擋作用,這一區(qū)段二極管正向電流IF很小,稱為死區(qū)。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料有關(guān),并受環(huán)境溫度影響。通常,硅材料二極管的死區(qū)電壓約為0.5V,鍺材料二極管的死區(qū)電壓約為0.2V。當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓值時,外電場抵消了內(nèi)電場,正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大,二極管正向電阻變得很小。當(dāng)二極管完全導(dǎo)通后,正向壓降基本維持不變,稱為二極管正向?qū)▔航礥F。一般硅管的UF為0.7V,鍺管的UF為0.3V。2)反向特性當(dāng)二極管承受反向電壓時,外電場與內(nèi)電場方向一致,只有少數(shù)載流子的漂移運動,形成的漏電流IR極小,一般硅管的IR為幾微安以下,鍺管IR較大,為幾十到幾百微安。這時二極管反向截止。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值時,反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大,這種現(xiàn)象稱二極管反向擊穿。擊穿時對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓。普通二極管發(fā)生反向擊穿后,造成二極管的永久性損壞,失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的主要參數(shù)二極管參數(shù)是反映二極管性能質(zhì)量的指標(biāo)。必須根據(jù)二極管的參數(shù)來合理選用二極管。二極管的主要參數(shù)有4項。
1)最大整流電流IFM
IFM是指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流值。工作時,管子通過的電流不應(yīng)超過這個數(shù)值,否則將導(dǎo)致管子過熱而損壞。2)最高反向工作電壓URM
URM是指二極管不擊穿所允許加的最高反向電壓。超過此值二極管就有被反向擊穿的危險。URM通常為反向擊穿電壓的1/2~2/3,以確保二極管安全工作。
3)最大反向電流IRMIRM是指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓URM時的反向漏電流,一般很小,但其受溫度影響較大。當(dāng)溫度升高時,IRM顯著增大。4)最高工作頻率fM
fM是指保持二極管單向?qū)ㄐ阅軙r,外加電壓允許的最高頻率。二極管工作頻率與PN結(jié)的極間電容大小有關(guān),容量越小,工作頻率越高。
二極管是電子電路中最常用的半導(dǎo)體器件。利用其單向?qū)щ娦约皩?dǎo)通時正向壓降很小的特點,可用來進行整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)以及元件保護等各項工作。
1.整流所謂整流,就是將交流電變?yōu)閱畏较蛎}動的直流電。利用二極管的單向?qū)щ娦钥山M成單相、三相等各種形式的整流電路。
2.鉗位利用二極管正向?qū)〞r壓降很小的特性,可組成鉗位電路。半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用
若A點UA=0,二極管VD可正向?qū)?,其壓降很小,故F點的電位也被鉗制在0V左右,即UF≈0。3.限幅利用二極管正向?qū)ê笃鋬啥穗妷汉苄∏一静蛔兊奶匦?,可以?gòu)成各種限幅電路,使輸出電壓幅度限制在某一電壓值以內(nèi)。
設(shè)輸入電壓ui=10sinωt(V),Us1=Us2=5V。當(dāng)-Us2<ui<Us1時,VD1、VD2都處于反向偏置而截止,因此i=0,uo=ui。當(dāng)ui>Us1時,VD1處于正向偏置而導(dǎo)通,使輸出電壓保持在Us1。
當(dāng)ui<-Us1時,VD2處于正向偏置而導(dǎo)通,輸出電壓保持在-Us2。由于輸出電壓uo被限制在+Us1與-Us2之間,即|uo|≤5V,好像將輸入信號的高峰和低谷部分削掉一樣,因此這種電路又稱為削波電路。4.元件保護在電子線路中,常用二極管來保護其他元器件免受過高電壓的損害。
在開關(guān)S接通時,電源E給線圈供電,L中有電流流過,儲存了磁場能量。在開關(guān)S由接通到斷開的瞬時,電流突然中斷,L中將產(chǎn)生一個高于電源電壓很多倍的自感電動勢eL,eL與E疊加作用在開關(guān)S的端子上,在S的端子上產(chǎn)生電火花放電,這將影響設(shè)備的正常工作,使開關(guān)S壽命縮短。接入二極管VD后,eL通過二極管VD產(chǎn)生放電電流i,使L中儲存的能量不經(jīng)過開關(guān)S放掉,從而保護了開關(guān)S。1.發(fā)光二極管
1)發(fā)光二極管的符號及特性是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件,簡稱LED。發(fā)光二極管和普通二極管相似,也由一個PN結(jié)組成。發(fā)光二極管在正向?qū)〞r,由于空穴和電子的復(fù)合而發(fā)出能量,發(fā)出一定波長的可見光。光的波長不同,顏色也不同。常見的LED有紅、綠、黃等顏色。發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓低、工作電流小,具有很強的抗振動和抗沖擊能力。由于發(fā)光二極管體積小、可靠性高、耗電省、壽命長,被廣泛用于信號指示等電路中。特種二極管2)發(fā)光二極管的應(yīng)用電源通斷指示發(fā)光二極管作為電源通斷指示通常稱為指示燈,在實際應(yīng)用中給人提供很大的方便。發(fā)光二極管的供電電源既可以是直流的也可以是交流的,但必須注意的是,發(fā)光二極管是一種電流控制器件,應(yīng)用中只要保證發(fā)光二極管的正向工作電流在所規(guī)定的范圍之內(nèi),它就可以正常發(fā)光。數(shù)碼管是電子技術(shù)中應(yīng)用的主要顯示器件,是用發(fā)光二極管經(jīng)過一定的排列組成的。
這是最常用的七段數(shù)碼顯示。要使它顯示0~9的一系列數(shù)字只要點亮其內(nèi)部相應(yīng)的顯示段即可。七段數(shù)碼顯示有共陽極(b)和共陰極(c)之分。數(shù)碼管的驅(qū)動方式有直流驅(qū)動和脈沖驅(qū)動兩種,應(yīng)用中可任意選擇。數(shù)碼管應(yīng)用十分廣泛,可以說,凡是需要指示或讀數(shù)的場合,都可采用數(shù)碼管顯示。2.穩(wěn)壓二極管硅穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管,是一種特殊的二極管,它與電阻配合具有穩(wěn)定電壓的特點。1)穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管正向偏壓時,其特性和普通二極管一樣;反向偏壓時,開始一段和二極管一樣,當(dāng)反向電壓達到一定數(shù)值以后,反向電流突然上升,而且電流在一定范圍內(nèi)增長時,管兩端電壓只有少許增加,變化很小,具有穩(wěn)壓性能。這種“反向擊穿”是可恢復(fù)的,只要外電路限流電阻保障電流在限定范圍內(nèi),就不致引起熱擊穿而損壞穩(wěn)壓管。2)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)
a.穩(wěn)定電壓值UVDZ:穩(wěn)壓管在正常工作時管子的端電壓,一般為3~25V,高的可達200V。
b.穩(wěn)定電流IVDZ:穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流。開始穩(wěn)壓時對應(yīng)的電流最小,為最小穩(wěn)壓電流IVDZmin;對應(yīng)額定功耗時的穩(wěn)壓電流為最大穩(wěn)壓電流IVDZmax。
c.動態(tài)電阻rVDZ:穩(wěn)壓管端電壓的變化量ΔUVDZ與對應(yīng)電流變化量ΔIVDZ之比,即d.穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù):當(dāng)溫度變化1℃時穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UVDZ的相對變化量。
e.穩(wěn)壓管額定功耗PVDZM:保證穩(wěn)壓管安全工作所允許的最大功耗。其大小為
PVDZM=UVDZIVDZmax
3)穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用
UI是不穩(wěn)定的可變直流電壓,希望得到穩(wěn)定的電壓UO,故在兩者之間加穩(wěn)壓電路。它由限流電阻R和穩(wěn)壓管VDZ構(gòu)成,RL是負載電阻。1-2半導(dǎo)體三極管
三極管是由兩個PN結(jié)、3個雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域組成的,因雜質(zhì)半導(dǎo)體有P、N型兩種,所以三極管的組成形式有NPN型和PNP型兩種。1.三極管的結(jié)構(gòu)及類型不管是NPN型還是PNP型三極管,都有三個區(qū):基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū),以及分別從這三個區(qū)引出的電極:發(fā)射極e、基極b和集電極c;兩個PN結(jié)分別為發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的發(fā)射結(jié)和集電區(qū)與基區(qū)之間的集電結(jié)。三極管的結(jié)構(gòu)及類型
三極管基區(qū)很薄,一般僅有1微米至幾十微米厚,發(fā)射區(qū)濃度很高,集電結(jié)截面積大于發(fā)射結(jié)截面積。使用中要注意電源的極性,確保發(fā)射結(jié)永遠加正向偏置電壓,三極管才能正常工作。三極管根據(jù)基片的材料不同,分為鍺管和硅管兩大類,目前國內(nèi)生產(chǎn)的硅管多為NPN型(3D系列),鍺管多為PNP型(3A系列);從頻率特性分,可分為高頻管和低頻管;從功率大小分,可分為大功率管、中功率管和小功率管。2.三極管電流分配和放大作用
實驗得出如下結(jié)論:
IE=IC+IB
IC≈IE
三個電流之間的關(guān)系符合基爾霍夫電流定律,IB雖然很小,但對IC有控制作用,IC隨IB改變而改變。
β稱為三極管的電流放大系數(shù),它反映三極管的電流放大能力,也可以說電流IB對IC的控制能力。1)三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律三極管電流之間為什么具有這樣的關(guān)系呢?這可以通過在三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律來解釋。
a.發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子。電源UBB經(jīng)過電阻Rb加在發(fā)射結(jié)上,發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子——自由電子不斷地越過發(fā)射結(jié)而進入基區(qū),形成發(fā)射極電流IE。同時,基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴散,但由于基區(qū)很薄,可以不考慮這個電流。因此,可以認為三極管發(fā)射結(jié)電流主要是電子流。b.基區(qū)中的電子進行擴散與復(fù)合。電子進入基區(qū)后,先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集,漸漸形成電子濃度差,在濃度差的作用下,促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴散,被集電結(jié)電場拉入集電區(qū),形成集電結(jié)電流IC。也有很小一部分電子與基區(qū)的空穴復(fù)合,形成復(fù)合電子流。擴散的電子流與復(fù)合電子流的比例決定了三極管的放大能力。c.集電區(qū)收集電子。由于集電結(jié)外加反向電壓很大,這個反向電壓產(chǎn)生的電場力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴散,同時將擴散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)而形成集電結(jié)主電流ICN。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子——空穴也會產(chǎn)生漂移運動,流向基區(qū),形成反向飽和電流ICBO,其數(shù)值很小,但對溫度卻非常敏感。
2)三極管的電流分配關(guān)系綜合載流子的運動規(guī)律,三極管內(nèi)的電流分配如圖所示,圖中的箭頭表示電流方向。由于三極管基區(qū)的雜質(zhì)濃度很低,且厚度很薄,這就減小了電子和空穴復(fù)合的機會,所以從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子只有很小一部分在基區(qū)復(fù)合掉,絕大部分到達集電區(qū)。這就是說構(gòu)成發(fā)射極電流IE的兩部分中,IBE部分是很小的,ICE部分所占百分比是大的,若它們的比值用hFE本表示,則有hFE本表示三極管的電流放大能力,稱為本征電流放大系數(shù)。它的大小取決于基區(qū)中載流子擴散與復(fù)合的比例關(guān)系,這種比例關(guān)系是由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的,一旦管子制成后,這種比例關(guān)系(hFE本值)也就確定了。各極電流滿足下列分配關(guān)系:
IB=IBE-ICBO
IC=ICE+ICBO
=hFE本IBE+ICBO
=hFE本(IB+ICBO)+ICBO
=hFE本IB+(1+hFE本)ICBO
=hFE本IB+ICEO
ICEO=(1+hFE本)ICBO
IE=ICE+IBE
=(IC-ICBO)+(IB+ICBO)
=IC+IB
由三極管內(nèi)部的載流子運動規(guī)律可知,集電極電流IC主要來源于發(fā)射極電流IE,而同集電極外電路幾乎無關(guān),只要加到集電結(jié)上的反向電壓能夠把從基區(qū)擴散到集電結(jié)附近的電子吸引到集電區(qū)即可。這就是三極管的電流控制作用。三極管能實現(xiàn)放大作用也是以此為基礎(chǔ)的,這也是三極同二極管一個質(zhì)的區(qū)別所在。
IE的大小是由發(fā)射結(jié)上的外加正向電壓UBE的大小決定的,UBE的變化將引起IE的變化,IE的變化再引起IB和IC的變化,所以,實質(zhì)上是發(fā)射結(jié)上的正向電壓UBE對各極電流有控制作用。UBE變化能引起IC變化的現(xiàn)象,本應(yīng)理解為電壓控制,但二者的關(guān)系是非線性的,表達起來很不方便,當(dāng)ICBO(或ICEO)可忽略時,則有IC≈hFE本IB,表明IC同IB(或IE)有一個比例關(guān)系,使用起來很方便,所以通常說IC受IB(或IE)控制,或者說,IC隨IB(或IE)成正比變化。
這里還需指出,三極管的結(jié)構(gòu)特點是它具有電流控制作用的內(nèi)部依據(jù),而發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置是它實現(xiàn)電流控制作用的外部條件。這是因為IC受IB(或IE)控制,是在滿足上述外部條件下實現(xiàn)的,因此,三極管在作放大運用時的直流供電必須滿足這個外部條件。
3)放大作用在基極回路(b、e間)加入一個待放大的信號電壓us;在集電極回路(c、e間)串入一個負載電阻RL,RL兩端電壓變量為Δuo?;鶚O接信號稱輸入端,集電極接負載,稱之為輸出端,發(fā)射極既接信號又接負載,稱之為公共端。這種連接方式稱為共發(fā)射極接法。
1.共射輸入特性
1)當(dāng)UCE=0時的輸入特性(圖中曲線①)當(dāng)UCE=0時,相當(dāng)于集電極和發(fā)射極間短路,三極管等效成兩個二極管并聯(lián),其特性類似于二極管的正向特性。三極管的特性曲線2)當(dāng)UCE≥1V時的輸入特性(圖中曲線②)當(dāng)UCE≥1V時,輸入特性曲線右移(相對于UCE=0時的曲線),表明對應(yīng)同一個UBE值,IB減小了,或者說,要保持IB不變,UBE需增加。這是因為集電結(jié)加反向電壓,使得擴散到基區(qū)的載流子絕大部分被集電結(jié)吸引過去而形成集電極電流IC,只有少部分在基區(qū)復(fù)合,形成基極電流IB,所以IB減小而使曲線右移。對應(yīng)輸入特性曲線某點(例如圖1.2.8的Q點)切線斜率的倒數(shù),稱為三極管共射極接法(Q點處)的交流輸入電阻,記作rbe,即
2.輸出特性曲線
輸出特性曲線是指當(dāng)三極管基極電流IB為常數(shù)時,集電極電流IC與集電極、發(fā)射極間電壓UCE之間的關(guān)系,即:
IC=f(UCE)|IB
=常數(shù)輸出特性曲線如圖所示。1)截止區(qū)
2)放大區(qū)
a.對應(yīng)同一個IB值,|UCE|增加時,IC基本不變(曲線基本與橫軸平行)。
b.對應(yīng)同一個UCE值,IB增加,IC顯著增加,并且IC的變量ΔIC與IB的變量ΔIB基本為正比關(guān)系(曲線簇等間距)。
3)飽和區(qū)
1.電流放大系數(shù)β
動態(tài)(交流)電流放大系數(shù)β
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