电子技术课程-模拟电路-第1章常用半导体器件课件.ppt

1、第1章 常用半导体器件第1章 常用半导体器件1.1 半导体基础和半导体二极管1.2 1.3 双极型半导体三极管1.4 场效应半导体三极管晶闸管(可控硅SCR)2020/4/29回首页11.1 半导体基础和半导体二极管第1章 常用半导体器件体器件有半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导各种电子电路最基本的元件。二极管、三极管、场效应管等。半导体器件是构成1.1.1 PN结半导体锗：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅电子。(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价(Si)、本征半导体：纯净,晶体结构完整的半导体。杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量杂质。2020/4

2、/29回首页21半导体的导电特征热激发产生自由电子和空穴第1章 常用半导体器件每个硅原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。2020/4/29回首页3价电子填补空穴第1章 常用半导体器件空穴运动邻近共价键中的价电子填补空穴，空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价a电子依次填补空穴的运b动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相c反方向的运动。2020/4/29回首页4

3、本征半导体小结第1章 常用半导体器件*本征半导体有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。*热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合。*在一定温度下本征半导体的自由电子和空穴维持一定的浓度，导电能力很弱。2020/4/29回首页52.掺杂半导体N型半导体第1章 常用半导体器件在本征半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。自由电子空穴2020/4/29多数载流子（简称多子）少

4、数载流子（简称少子）回首页6P型半导体第1章 常用半导体器件在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或 P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。空穴多数载流子（简称多子）自由电子少数载流子（简称少子）2020/4/29回首页7掺杂半导体小结第1章 常用半导体器件 N 型半导体P 型半导体*无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。*多数载流子的数量由掺入的杂质的浓度决定，掺杂浓度越高多数载流子的数量越多。*少数载流子数量是热激发而产生的，其数

5、量的多少决定于温度。2020/4/29回首页83PN结及其单向导电性第1章 常用半导体器件PN结的形成*浓度低的区域运动，这种运动称为如果载流子浓度分布不均匀，载流子将会从浓度高的区域向扩散运动。*载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。*导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半结。PN2020/4/29回首页9第1章 常用半导体器件扩散与漂移达到成一定宽度的PN动态平衡结形多子扩散形成空间电荷区,促使少子漂移阻止产生内电场P 区 N 区P 区 空间电荷区 N 区 载流子的扩散运动内电场方向PN 结及其内电场2020/4/29回首

6、页10PN结的单向导电性第1章 常用半导体器件大超过少子漂移运动，形成较大的正向电流，这时称外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，多子扩散运动大外加正向电压（也叫正向偏置）于导通状态。PN结处空间电荷区P 区 空间电荷区 N 区变窄 P N内电场方向IF外电场内电场PN 结及其内电场E R2020/4/29回首页11 外加反向电压（也叫反向偏置）第1章 常用半导体器件以进行，少子在电场作用下形成反向电流外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难运动产生的，I很小，这时称PN结处于截止I，因为是少子漂移状态。空间电荷区变宽 P 区 空间电荷区 N 区 P N 内电场 外电场 I内电场方向

7、E R 硕PN 结及其内电场2020/4/29回首页121.1.2 半导体二极管第1章 常用半导体器件1半导体二极管的结构与符号了半导体二极管，简称一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类二极管。检波及脉冲数字电路中的开关元件。点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频流电路中。面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，多用在低频整阳极 阴极2020/4/29回首页13第1章 常用半导体器件2半导体二极管的伏安特性曲线（1）正向特性(外加正向电压)电场不足以克服内电场对多外加正向电压较小时，外子扩散的阻力，截止状态，PN

8、结仍处于，正向电流随着正向电压增正向电压大于死区电压后电流为零。大迅速上升。通常硅管约为死区电压0.2V。0.5V，锗管约为（2）反向特性(外加反向电压)反向电压大于击穿电压外加反向电压时，PNV结处于截止状态，反向饱和电流IS很小。BR时，反向电流急剧增加。2020/4/29回首页14第1章 常用半导体器件根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示:I?IVVS(eT?1)式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，V荷量，T=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电T 为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有VT=26mV。2020/4/29回首页153

9、.二极管模型（1）理想模型正向偏置时：第1章 常用半导体器件管压降为0，电阻为0。短路！反向偏置时：电流为0，电阻为。开路！（2）恒压降模型vD=0.7V。2020/4/29回首页16第1章 常用半导体器件（3）折线模型1mA0.7VrVD?Vth.7V?0.5VD?i?0?200?D1mAVD?Vth?iDrD2020/4/29回首页17第1章 常用半导体器件4半导体二极管的主要参数1）最大整流电流IF：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。3）最大反向工作电压UR：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UBR的一半）。4）反向电流

10、IR：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。2020/4/29回首页181.1.3 稳压管及其它类型二极管第1章 常用半导体器件稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。阳极 阴极(c)(b)2020/4/29回首页19稳压管的主要参数：第1章 常用半导体器件（1）稳定电压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。（3）动态电阻rZ。稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比

11、。即：rZ=UZ/IZ（4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是：PZ=UZIZM2020/4/29回首页20发光二极管 激光光头,电源显示第1章 常用半导体器件有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。2020/4/29回首页21例，。R在图中，已知稳压二极管的lk，求，求V已知稳压二极管的正向压降6.3V，当第1章VV常用半导体器件20VO?07VVoViVo(b)解正向导通，当V同理V-20VV20V，VV.7V

12、反向击穿稳压，则V.V6.3V.，7VV；O-7V。2020/4/29回首页22第1章 常用半导体器件光电二极管远红外线接收管远红外线接收管,太阳能光电池反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加2020/4/29回首页23变容二极管电视调谐电视调谐第1章 常用半导体器件2020/4/29回首页241.2 半导体三极管第1章 常用半导体器件1.2.1 三极管的结构及类型参与导电，故又称为半导体三极管在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都双极型晶体管，简称晶体管或三极管。可以是两个NPN型N-P-NPN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，和PNP，也可以是型。P-N-P。因此

13、，三极管有两种类型：2020/4/29回首页25第1章 常用半导体器件C集电结CNPNN集电区型 BP基区B发射结N方电发射区压发箭E向E时射头的结方C电加正向集电区C流向表示PNP型集电结P BN基区B发射结P发射区EE2020/4/29回首页261.2.2 电流分配和电流放大作用第1章 常用半导体器件1 产生放大作用的条件内部条件：外部条件：b）基区很薄a）发射区杂质浓度集电区基区发射结正偏，集电结反偏IC2 三极管内部载流子的传输过程a）发射区向基区扩散电子，形成发NRC射极电流 ib）电子在基区中的扩散与复合，形EIBP成基极电流 iRUc）集电区收集扩散过来的电子，形BBCCN成集电

14、极电流 iCUBBIE2020/4/29回首页27第1章 常用半导体器件3 电流分配关系：(外部关系）IE IC+IB实验表明IC比IB大数十至数百倍，IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，这就是三极管的电流放大作用。2020/4/29回首页284 三种组态第1章 常用半导体器件这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态。有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;2020/4

15、/29回首页29第1章 常用半导体器件定义共射直流电流放大系数?ICIEIC+IBIC?IBIBIE?(1?)IB定义共射交流电流放大系数?iC?i?B工程近似估算不对?,?进行区别。2020/4/29回首页30第1章 常用半导体器件定义共基直流电流放大系数?ICI?E1?定义共基交流电流放大系数?iC?i?E2020/4/29回首页31第1章 常用半导体器件例：UCE=6V时：IB=40?A,IC=1.5mA；IB=60?A,IC=2.3mA。_?IIC?1.5?37B0.04.5?IC?I?2.3?1.5B0.06?0.04?40在工程计算中，一般作近似处理：?=?2020/4/29回首页

16、321.2.3 三极管的特性曲线第1章 常用半导体器件1输入特性曲线与二极管类似iB=f(vBE)?vCE=常数ICmAIIB/mABA +URCEC4030R+U V20CE1VBVUBEUCC10UBB00.4 0.8 UBE/V测量三极管特性的实验电路 三极管的输入特性曲线2020/4/29回首页33第1章 常用半导体器件U=0.5VCEUCE=0VIB/?A80UCE?1V60工作压降，硅管40UBE?0.60.7V,锗管硅管死区电压，UBE?0.20.3V。锗管0.5V0.1V，。200.40.8UBE/V2020/4/29回首页342输出特性曲线IBARB第1章 常用半导体器件IC

17、 +UCE+VUBEmARCVUCC4321iC=f(vCE)?iB=常数432截止区102020/4/29UBB测量三极管特性的实验电路 IC/mA放饱和区 100A80A60A40A20AIB=0回首页 大 区3 6 9 12 UCE/V35第1章 常用半导体器件IC/mA C集电结NPNEBC43100?A80?A60?AB发射结E213640?A20?AIB=0放大区：发射极正偏，集电结反偏。iC?iB2020/4/29912UCE/VIC只与IB有关，IC=?IB。回首页36C集电结B发射结NPNECIC/mA 此区域中,集电结正偏，UCE?0.2V，称为饱和区。100?A80?A6

18、0?A第1章 常用半导体器件BE43213饱和区：发射结正偏，集电结正偏40?AiC?iB69回首页20?AIB=012UCE/V372020/4/29C集电结NPNEBCIC(mA )IB0，IC=ICEO0,UBE0时,感应出电子VGS足够大时,形成VGSSNPGVDSDN导电沟道，如此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流Id。使导电沟道刚刚形成的VGS称为开启电压VGS(th)(或VT)2020/4/29回首页56第1章 常用半导体器件VGSSNPGVDSDN导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，VGS越大此电阻越小。2020/4/29回首页57漏源电压V第1章 常用半导体器件DS的控制作用

19、呈楔形2020/4/29回首页58N沟道增强型MOS管的基本特性第1章 常用半导体器件VGSVT，管子截止VGSVT，管子导通VGS越大，沟道越宽，电阻越小,在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大2020/4/29回首页59第1章 常用半导体器件转移特性曲线ID=f(VGS)?VDS=常数电流转移特性曲线的斜率。跨导的定义Iggm的大小反映了栅源电压VGS对漏极D的控制作用。m的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导gm=?ID/?VGS?VDS=常数(单位mS)2020/4/29回首页60第1章 常用半导体器件输出特性曲线ID=f(VDS)?VGS=常数2020/4/29回首页61第1章

20、 常用半导体器件2 N沟道耗尽型MOSFET耗尽型的断。MOS管VGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹IDUGSVT0转移特性曲线2020/4/29回首页62第1章 常用半导体器件输出特性曲线IDUGS0UGS=0UGS 0、UGK0时T1导通形成正反馈T2导通?igGT2进一步导通晶闸管迅速导通GAKT1T2ig?ib2=igiC2=?ig=ib1igKic1=?ib1=?ig2020/4/29回首页72第1章 常用半导体器件晶闸管导通后，去掉UGK，依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态；晶闸管截止的条件：（1）晶闸管开始工作后加触发信号（即U，UAK加反向电压，或不GK=0）；（2）晶闸管

21、正向导通后，令其截止，必须降低 UAK,或加大回路电阻，使晶闸管中电流的正反馈不能维持。2020/4/29回首页73结论第1章 常用半导体器件1.正向导通条件：晶闸管具有单向导电性A、K间加正向电压，G、K间加触发信号2.若使其关断，必须降低晶闸管一旦导通，控制极失去作用流减小到维持电流以下。UAK或加大回路电阻，把阳极电2020/4/29回首页74第1章 常用半导体器件1.4.4 主要参数UDRM：断态重复峰值电压。（晶闸管耐压值。一般取 UDRM=80%UDSM。普通晶闸管UDRM 为 100V-3000V）URRM：可以重复作用在晶闸管上的反向重复电反向重复峰值电压。（控制极断路时，压。

22、一般取闸管UURRM=80%URSM。普通晶RRM为100V-3000V）IF：通态平均电流电阻性负载、单相工频。（环境温度为40OC时,在角不小于最大通态平均电流。普通晶闸管170o的电路中，晶闸管允许的正弦半波、导电IF为1A-1000A。）2020/4/29回首页75第1章 常用半导体器件IH：维持电流。(在室温下，控制极开路、晶闸管被触发导通后，维持导通状态所必须的最小电流。一般为几十到一百多毫安。）UG、IG阳极电压为直流：控制极触发电压和电流。6V时，使晶闸管完全导通（在室温下，所必须的最小控制极直流电压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。）2020/4/29回首页7

23、6第1章 常用半导体器件1.4.5 单相半波可控整流电路(电阻负载)1 电路及工作原理AGK设正弦波u1为u1uuT2RuLLu2 0 时，加上触发电压 uG，晶闸管导通。且 uL的大小随 uG加入的早晚而变化；u2 0 时，晶闸管不通，uL=0。故称可控整流。2020/4/29回首页77第1章 常用半导体器件2 工作波形?：控制角?：导通角u2tuGtuLtuTt?2020/4/29回首页78第1章 常用半导体器件本章小结1半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。2采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在

24、一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。3二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。2020/4/29回首页79第1章 常用半导体器件4.三极管工作时，有两种载流子参与导电，称为双极型晶体管。5.三极管是一种电流控制电流型的器件，改变基极电流就可以控制集电极电流。6.三极管特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。7.有三个工作区：饱和区、放大区和截止区。2020/4/29回首页80练习题第1章 常用半导体器件如下图所示，试判断管子类型。如下图所示，试判断管子类型。例有两个晶体管分别接在电路中有两个晶体管分别接在电路中,测得它们的管脚电位测得它们的管脚电位

25、解：2020/4/29回首页81第1章 常用半导体器件例两个稳压管,稳定电压分别为5.5V和8.5V,正向压降都是0.5V,如果得到0.5V,3V,6V,9V和14V应如何连接?解解:2020/4/29回首页82第1章 常用半导体器件例：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。(1)若ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo解：采用理想模型分析。RIui?UREF?4V?2V+?2mAI+R1kuiuOuo?U?2VUREF-REF-采用理想二极管串联电压源模型分析。Iui?UREFUDR?4V?2V?0.7V

26、1k?1.3mAuo?UREF?UD?2V?0.7V?2.72020/4/29回首页83（2）如果u第1章 常用半导体器件i为幅度4V的交流三角波，波形如图所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。Rui4V+I+2VtuiuUO0-REF-4Vuo解采用理想二极管模型2V分析。波形如图所示。t2020/4/29回首页84第1章 常用半导体器件uiR+IUREF+4V2.7Vtui-uO-0-4Vuo采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。2.7Vt02020/4/29回首页85第1章 常用半导体器件例解:2020/4/29回首页86第1章 常用半导体器件解:2020/4/29回首页87例在下图中在下图中,试求以下几种情况的端电压试求以下几种情况的端电压V VY Y,及各元件流过及各元件流过的电流的电流:第1章 常用半导体器件(1)V(1)VA A=10V,V=10V,VB B=0V;=0V;解:2020/4/29回首页88第1章 常用半导体器件(2)V(2)VA A=6V,V=6V,VB B=5.8V;=5.8V;2020/4/29回首页89第1章 常用半导体器件(2)V(2)VA A=V=VB B=5V;=5V;2020/4/29回首页90第1章 常用半导体器件第1章结 束2020/4/29回首页91