電路與電子技術(shù)-第4章--半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1演示文檔

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.,第二篇 模擬電子技術(shù),.,第4章 常用半導(dǎo)體器件,4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 4.2 半導(dǎo)體二極管 4.3 晶體三極管 4.4 場效應(yīng)管 （了解） 4.5 晶閘管（不講）,.,,本章內(nèi)容提要 重點： （1）二極管的單向?qū)щ娦裕?（2）三極管的三種工作狀態(tài)； 難點： （1）整流電路的特點及應(yīng)用； （2）放大器的靜態(tài)分析及動態(tài)分析； （3）晶體管三種組態(tài)放大電路比較。,.,4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,4.1.1 本征半導(dǎo)體,1、半導(dǎo)體,導(dǎo)體：導(dǎo)電能力好的物質(zhì)。如銅、鋁等,半導(dǎo)體：是一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì).如硅、鍺、硒、砷化鎵及一些硫化物和氧化物。,⑴ 半導(dǎo)體的物理特性,光敏性,熱敏性,慘雜性,絕緣體：導(dǎo)電能力差的物質(zhì)。如陶瓷干木,.,①溫度升高時，純凈的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著增加；,光敏性：,熱敏性：,慘雜性：,半導(dǎo)體為什么具有以上的導(dǎo)電性質(zhì)？,②在純凈半導(dǎo)體材料中加入微量的“雜質(zhì)”元素，它的電導(dǎo)率就會成千上萬倍地增長；,③純凈的半導(dǎo)體受到光照時，導(dǎo)電能力明顯提高。,與半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)有關(guān),.,⑵半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),原子的組成：,4個價電子,硅（Si）：四價元素，硅的原子序數(shù)是14，外層有4個電子。,若干個圍繞原子核運動的帶負電的電子,且整個原子呈電中性。,半導(dǎo)體器件的材料：,鍺（Ge）：也是四價元素，鍺的原子序數(shù)是32，外層也是4個電子。,.,為什么本征半導(dǎo)體具有一定的導(dǎo)電能力？,完全純凈 的具有晶體 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo) 體稱為本征 半導(dǎo)體 。它 具有共價鍵 結(jié)構(gòu)。,鍺和硅的原子結(jié)構(gòu),單晶硅中的共價鍵結(jié)構(gòu),共價鍵,,硅原子,2 本征半導(dǎo)體的的原理,.,在半導(dǎo) 體中，同 時存在著 電子導(dǎo)電 和空穴導(dǎo) 電。空穴 和自由電 子都稱為 載流子。 它們成對 出現(xiàn)，成 對消失。,在常溫下自由電子和空穴的形成,復(fù)合,自由電子,本征 激發(fā),,由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子,自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴,.,1. N型半導(dǎo)體,原理圖,P,自由電子,結(jié)構(gòu)圖,磷原子,,正離子,P+,在硅或鍺中摻 入少量的五價元 素，如磷或砷、 銻，則形成N型 半導(dǎo)體。,多余價電子,在N型半導(dǎo)體模型：不能移動的正離子，可移動的多子電子 和少子空穴。,,4.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中加入微量的五價（三價）元素，可使半導(dǎo)體中自由電子（空穴）濃度大為增加，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。,.,2、P型半導(dǎo)體,在硅或鍺中 摻入三價元素， 如硼或鋁、鎵， 則形成P型半導(dǎo) 體。,原理圖,B,,B-,,硼原子,負離子,空穴,,填補空位,結(jié)構(gòu)圖,在P型半導(dǎo)體中，空穴是多子，電子是少子。,,P型半導(dǎo)體模型：不能移動的負離子，可移動的多子空穴和少子電子,.,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，在這兩個區(qū)域的交界處就形成一個PN結(jié) 。,,,,,P 區(qū),N 區(qū),P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散并與電子復(fù)合,N區(qū)的電子向P區(qū)擴散并與空穴復(fù)合,,,空間電荷區(qū),,,,內(nèi)電場方向,4.1.3PN結(jié),空穴,1、PN結(jié)的形成,電子,.,,,空間電荷區(qū),,,,內(nèi)電場方向,,,,,,,,,在一定條件下，多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡。,P區(qū),N區(qū),多子擴散,少子漂移,,空穴,電子,多子為空穴,多子為電子,.,在一定條件下，多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定。形成了PN結(jié)—空間電荷區(qū)—阻擋層—耗盡層—內(nèi)電場,,,,內(nèi)電場阻擋多子的擴散運動，加強了少子的漂移運動。,結(jié) 論 ：,,在PN結(jié)中同時存在多子的擴散運動和少子的漂移運動。,多子擴散,.,因濃度差,內(nèi)電場促使少子漂移,內(nèi)電場阻止多子擴散,總之PN結(jié)的形成過程,漂移運動： 由內(nèi)電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。,擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。,.,2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?P區(qū),N區(qū),,,,,,,,,,,,,,,內(nèi)電場,,外電場,E,,I,,,,空間電荷區(qū)變窄,,,P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)和一部分負離子中和,N區(qū)電子進入空間電荷 區(qū)和一部分正離子中和,擴散運動增強，形成較大的正向電流。,,,,,,,1、外加正向電壓（P接正，N接負）,,.,,外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)變寬，有利于兩側(cè)的少子的漂移運動，阻礙多子的擴散運動,空間電荷區(qū)變寬,,,,,,,,,,,,,,,,,內(nèi)電場,外電場,,少子越過PN結(jié)形成很小的反向飽和電流IS,IR,,,,E,,,,,,,2、外加反向電壓 （P接負，N接正）,N區(qū),P區(qū),,.,由上述分析可知：,,PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?即在PN結(jié)上加正向電壓（P接正，N接負）時，空間電荷區(qū)變窄，PN結(jié)電阻很低，正向電流較大，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；,加反向電壓（P接負，N接正）時，空間電荷區(qū)變寬，PN結(jié)電阻很高，少子飄移形成反向電流，為反向飽和電流（因為少子的數(shù)量是一定的），PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài),切記,,.,3 PN結(jié)的伏安特性,定量描繪PN結(jié)兩端電壓和流過結(jié)的電流的關(guān)系的曲線——PN結(jié)的伏安特性。 根據(jù)理論分析，PN結(jié)的伏安特性方程為,外加電壓,流過PN結(jié)的電流,電子電荷量 q =1.6×10-19C,反向飽和電流,絕對溫度(K),玻耳茲曼常數(shù) k =1.38×10-23J/K,自然對數(shù)的底,.,令,在常溫下，T = 300K，,則,,當(dāng)U大于UT時,,,即正向電流隨正向電壓的增加以指數(shù)規(guī)律迅速增大。,外加反向電壓時，U為負值，當(dāng)|U|比UT大幾倍時，,,I≈IS，即加反向電壓時，PN結(jié)只流過很小的反向飽和電流。,.,曲線OD段表示PN結(jié)正向偏置時,的伏安特性，稱為正向特性；,畫出PN結(jié)的理論伏安特性曲線,用UD(on)表示導(dǎo)通電壓或死區(qū)電壓。,反向硅管的電流一般小于0.1μA，鍺管的一般小于幾十微安。,曲線OB段表示PN結(jié)反向偏置時的伏安特性，稱為反向特性。,室溫下，硅管的UD(on) =(0.5~0.6)V，鍺管的 UD(on) =(0.1~0.2)V。,.,4 PN結(jié)的反向擊穿,加大PN結(jié)的反向電壓到某一值時，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，發(fā)生擊穿所需的電壓稱為擊穿電壓UBR ，如圖所示,,,,圖 PN結(jié)反向擊穿,熱擊穿—不可逆,反向擊穿的特點：反向電壓增加很小，反向電流卻急劇增加,.,① 雪崩擊穿,② 齊納擊穿,齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結(jié)中。,一般來說，對硅材料的PN結(jié)，UBR>7V時為雪崩擊穿； UBR <5V時為齊納擊穿； UBR介于5~7V時，兩種擊穿都有。,當(dāng)反向電壓大到一定值時，強電場足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產(chǎn)生大量電子、空穴對，使反向電流急劇增大，強電場破壞共價健引起齊納擊穿。,雪崩擊穿和齊納擊穿均為電擊穿。,由倍增效應(yīng)引起的擊穿。當(dāng)PN結(jié)外加的反向電壓增加到一定數(shù)值時，空間電荷數(shù)目較多，內(nèi)電場很強，使流過PN結(jié)的少子漂移速度加快，可獲得足夠大的動能，它們與PN結(jié)中的中性原子碰撞時，能把價電子從共價建中碰撞出來，產(chǎn)生新的電子空穴對。,雪崩擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結(jié)中。,.,分類：,鍺二極管,按用途分,整流二極管,開關(guān)二極管,穩(wěn)壓二極管,按其結(jié)構(gòu)分,面接觸型,4.2 半導(dǎo)體二極管,4.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)和外形,半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型,結(jié)構(gòu)：在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。,.,PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。,往往用于集成電路制造中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。,(3) 平面型二極管,(2)面接觸型二極管,(4) 二極管的代表符號,(b)面接觸型,PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。,(1) 點接觸型二極管,.,圖所示為幾種常見二極管的實物外形圖。,小電流二極管常用玻璃殼塑料殼封裝，為便于散熱，大電流二極管一般使用金屬外殼。通過電流在1A以上的二極管常加散熱片以幫助散熱,.,4.2.2 二極管的伏安特性二極管特性曲線,二極管的伏安特性的測定,.,反向特性,當(dāng)加正向電壓，且u >> VT時,,VT稱為死區(qū)電壓。 硅管： VT≈0.5V，鍺管：VT≈0.1V。 導(dǎo)通時的正向壓降 硅管：0.6 ~ 0.7V，鍺管：0.2 ~ 0.3V。,正向特性,1. 正向特性,2. 反向特性,當(dāng)u＜0時， i= ?Is（反向飽和電流）電流很小，幾乎為零。,二極管伏安特性,.,當(dāng)反向電壓增大至U(BR)時，反向電流將突然增大。這種現(xiàn)象稱為擊穿，二極管失去單向?qū)щ娦浴?3.反向擊穿特性,反向特性,.,溫度對二極管伏安特性的影響,T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓ →反向飽和電流IS↑，U(BR) ↓ T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移,正向特性為指數(shù)曲線,反向特性為橫軸的平行線,,增大1倍/10℃,.,1、二極管的主要參數(shù),4.2.3 二極管的主要參數(shù),1)直流電阻RD：二極管兩端所加直流電壓UD與流過它的直流電流ID之比，即,RD不是恒定值，正向的RD隨工作電流增大而減小，反向的RD隨反向電壓增大而增大。,顯然，圖中Q1點處的RD小于Q2點處的RD 。,.,2）交流電阻rD rD定義為：二極管在其工作狀態(tài)(IDQ,UDQ)處的電壓微變量與電流微變量之比，即,rD的幾何意義見左圖 ，即二極管伏安特性曲線上Q(IDQ,UDQ)點處切線斜率的倒數(shù)。,rD可以通過對式 求導(dǎo)得出，即,二極管交流電阻rD的幾何意義,室溫條件下(T=300K):,.,,4)最高反向工作電壓 UDRM 它是保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。,3)最大整流電流 IFM 最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。,5)最大反向電流 IRM 它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。,6）最高工作頻率fM fM是與結(jié)電容有關(guān)的參數(shù)。工作頻率超過fM時，二極管的單向?qū)щ娦阅茏儔摹?.,4.2.4 其他類型二極管,穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo) 體硅二極管。 穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。,1. 穩(wěn)壓管,穩(wěn)壓管在電路中為什么能起穩(wěn)壓作用？,穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流在很大范圍內(nèi)變化，兩端的電壓變化很小。利用這一特性，,穩(wěn)壓管的符號,.,1、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：,1） 穩(wěn)定電壓UZ,4）穩(wěn)定電流 IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。,3）動態(tài)電阻 rZ,2）電壓溫度系數(shù) ?U （%/℃）： 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。,5）最大允許耗散功率 PZM,.,2、穩(wěn)壓二極管工作原理,,輸出電壓穩(wěn)定的條件,UI不穩(wěn)定,RL改變,.,電阻的作用:,穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。,?起限流作用，以保護穩(wěn)壓管,?當(dāng)輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，從而起到穩(wěn)壓作用。,正常穩(wěn)壓時 UO =UZ,穩(wěn)壓條件是什么？,IZmin ≤ IZ ≤ IZmax,不加R可以嗎？,當(dāng)Ui為正弦波，且幅值大于UZ ， UO的波形是怎樣的？,.,例 在圖所示電路中，已知輸入電壓Ui = 12 V，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ = 6 V，穩(wěn)定電流IZ = 5mA，額定功耗PZM = 90 mW，試問輸出電壓Uo能否等于6 V。,,即 5mA ＜ IDZ ＜ 15 mA,IDZ不在5mA～15 mA的范圍內(nèi)，因此不能正常穩(wěn)壓，Uo將小于UZ。若要電路能夠穩(wěn)壓，則應(yīng)減小R的阻值。,解 穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓時，其工作電流IDZ應(yīng)滿足IZ＜IDZ＜IZmax，而,設(shè)電路中DZ能正常穩(wěn)壓，則Uo= UZ = 6V。由圖中可求出：,.,2.發(fā)光二極管,當(dāng)電流流過時，發(fā)光二極管將發(fā)出光來，光的顏色由二極管材料（如砷化鎵、磷化鎵）決定。,發(fā)光二極管的符號,發(fā)光二極管通常用作顯示器件，工作電流一般在幾mA至幾十mA之間。,另一重要作用：將電信號變?yōu)楣庑盘?，通過光纜傳輸，然后用光電二極管接收，再現(xiàn)電信號。,.,3.光電二極管,（a）光電二極管的符號,（b）光電二極管的等效電路,光電二極管可將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。其特點是它的反向電流與照度成正比。,,.,原理：利用PN結(jié)的勢壘電容隨外加反向電壓變化的特性可制成變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管工作在反偏狀態(tài)下，此時，PN結(jié)結(jié)電容的數(shù)值隨外加電壓的大小而變化。因此，變?nèi)荻O管可做可變電容使用。,4. 變?nèi)荻O管,變?nèi)荻O管在高頻電路中廣泛應(yīng)用于自動調(diào)諧、調(diào)頻、調(diào)相等。,圖所示為變?nèi)荻O管的電路符號。,.,利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，可實現(xiàn)整流、限幅及電平選擇等功能。,1、二極管整流電路,把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱為整流。,,若二極管為理想二極管，當(dāng)輸入一正弦波時，由圖可知：正半周時，二極管導(dǎo)通(相當(dāng)開關(guān)閉合)，uo=ui；,負半周時，二極管截止(相當(dāng)開關(guān)打開)， uo =0。其輸入、輸出波形見下圖,（1）單相半波整流電路,（a）單相半波整流電路原理,4.2.5 二極管應(yīng)用電路舉例,.,圖 單相半波整流電路,.,(b). 直流電壓UO和直流電流IO的計算,半波整流后的輸出電壓：,在半波整流情況下，設(shè)：,.,此式說明, 在半波整流情況下, 負載上所得的直流電壓只有變壓器次級繞組電壓有效值的45%。,如考慮二極管的正向電阻和變壓器等效電阻上的壓降, 則UO數(shù)值還要低。,在半波整流電路中, 二極管的電流等于輸出電流：,二極管的最大整流電流IF≥ID，二極管的最大反向工作電壓 。,.,（2）. 單相全波整流電路,(a). 電路與工作原理,為提高電源的利用率, 可將兩個半波整流電路合起來組成一個全波整流電路, 如圖(a)所示。二極管VD1、VD2在正、負半周輪流導(dǎo)電, 且流過負載RL的電流為同一方向, 故在正、負半周, 負載上均有輸出電壓。,圖(a),.,圖(a),全波整流電路波形圖,.,(b). 直流電壓UO和直流電流IO的計算,由輸出波形可看出, 全波整流輸出波形是半波整流時的兩倍, 所以輸出直流電壓也為半波時的兩倍, 即,圖(a),.,管子通過的電流為,全波整流電路每管承受的反向峰值電壓URM為u2的峰值電壓的兩倍,即,因為無論正半周還是負半周, 均是一管截止, 而另一管導(dǎo)通, 故變壓器次級兩個繞組的電壓全部加至截止二極管的兩端。 選管時應(yīng)滿足,圖(a),二極管的最高電流,.,（3）、 單相橋式整流,橋式整流電路,(a). 電路與工作原理,.,工作原理 u2的正半周：A→D1→RL→D3→B，uO=u2 u2的負半周：B→D2→RL→D4→A，uO=-u2 集成的橋式整流電路稱為整流橋堆。,,,,,,,,,,,,,,,四只管子如何接？,若接反了呢？,,,,,電路的組成,.,橋式整流電路波形圖,.,(b). 直流電壓UO和直流電流IO的計算,