電工電子學(xué)(PPT)-4.ppt

第4章常用半導(dǎo)體器件 太原理工大學(xué)電工基礎(chǔ)教學(xué)部 第4章常用半導(dǎo)體器件第5章基本放大電路第6章集成運(yùn)算放大器第7章直流穩(wěn)壓電源 模塊2 模擬電子技術(shù) 第4章常用半導(dǎo)體器件 4 1PN結(jié)和半導(dǎo)體二極管 4 2特殊二極管 4 3半導(dǎo)體三極管 4 4絕緣柵型場效應(yīng)晶體管 第4章常用半導(dǎo)體器件 1 理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?三極管的電流分配和電流放大作用 2 了解二極管 穩(wěn)壓管和三極管的基本造 工作原理和特性曲線 理解主要參數(shù)的意義 3 會(huì)分析含有二極管的電路 4 了解場效應(yīng)管的電流放大作用 主要參數(shù)的意義 本章要求 4 1PN結(jié)和二極管 4 1 1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 1 概念 半導(dǎo)體 導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣體之間 如鍺 硅 砷化鎵和一些硫化物 氧化物等 影響半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的因素 光照 導(dǎo)電能力 如 光敏元件 溫度 導(dǎo)電能力 如 熱敏元件 摻雜 純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的某些雜質(zhì) 會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力明顯改變 常用的半導(dǎo)體材料 鍺Ge 硅Si 硅和鍺為四價(jià)元素 最外層有四個(gè)價(jià)電子 32 14 2 8 18 4 2 8 4 2 本征半導(dǎo)體 純凈的 具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體 最外層八個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu) 共價(jià)鍵內(nèi)的價(jià)電子對 共價(jià)鍵 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 導(dǎo)電能力很弱 價(jià)電子 本征激發(fā) 熱激發(fā) 空穴 自由電子 兩種載流子 半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子 本征半導(dǎo)體兩端外加電壓時(shí) 將出現(xiàn)兩部分電流 電子流和空穴流 復(fù)合 復(fù)合使自由電子和空穴成對減少 在一定溫度下 熱激發(fā)和復(fù)合處于動(dòng)平衡狀態(tài) 半導(dǎo)體中的載流子數(shù)目一定 溫度升高 光照增強(qiáng)使價(jià)電子擺脫原子核的束縛 自由電子與空穴相遇 多余電子 3 雜質(zhì)半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體 電子半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中摻入微量的五價(jià)元素磷 空穴 P型半導(dǎo)體 空穴半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中摻入微量的三價(jià)元素硼 4 1 2PN結(jié) 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 在它們的交界面處形成的特殊區(qū)域 1 PN結(jié) 2 PN結(jié)的形成 P區(qū)和N區(qū)的載流子濃度不同 由載流子的濃度差 多子擴(kuò)散 正負(fù)離子顯電性 建立空間電荷區(qū) 形成內(nèi)電場 內(nèi)電場 空間電荷區(qū)寬度確定 PN結(jié)形成 PN結(jié) 空間電荷區(qū) PN結(jié)也稱為高阻區(qū) 耗盡層 3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)正向?qū)?現(xiàn)象 燈亮 電流大 mA級 原因 使PN結(jié)變窄 由多數(shù)載流子形成較大的正向電流 結(jié)論 PN結(jié)正向?qū)?正向電流大 正向電阻小 PN結(jié)變窄 PN結(jié)反向截止 現(xiàn)象 燈不亮 電流很小 A級 原因 方向一致 使PN結(jié)變寬 由少數(shù)載流子形成很小的反向電流 結(jié)論 PN結(jié)反向截止 反向電流小 反向電阻大 PN結(jié)變寬 4 1 3半導(dǎo)體二極管 1 基本結(jié)構(gòu)及符號 點(diǎn)接觸型 結(jié)面小 結(jié)電容小 適用高頻小電流場合 如 檢波電路 數(shù)字開關(guān)電路 面接觸型 結(jié)面大 結(jié)電容大 用在低頻電路如 整流電路 半導(dǎo)體二極管圖片 半導(dǎo)體二極管圖片 2 伏安特性 UBR 反向擊穿電壓 正向特性 導(dǎo)通后管壓降 反向特性 溫度對二極管的影響 溫度升高二極管正向壓降減小 溫度 載流子 導(dǎo)電能力 等效電阻 正向壓降UD 溫度升高二極管反向電流增大 溫度 少數(shù)載流子 反向電流 理想二極管的開關(guān)特性 正向?qū)?反向截止 開關(guān)閉合 開關(guān)斷開 由理想二極管組成的電路如圖所示 求電壓UAB 解 圖 a D正向?qū)?UD 0 電壓UAB 6V 解 圖 b D1導(dǎo)通 UD1 0 D2截止 電壓UAB 0V 解 圖 c D1優(yōu)先導(dǎo)通 UD1 0 電壓UAB 3V 6V 3V D2截止 3 主要參數(shù) 1 最大整流電流IDM 二極管長期使用時(shí) 允許流過二極管的最大正向平均電流 點(diǎn)接觸型 幾十mA 面接觸型較大 2 反向工作峰值電壓URM 二極管不被反向擊穿時(shí)允許承受的最大反向電壓 一般URM是UBR的一半 或三分之二 3 反向峰值電流IRM 在URM下對應(yīng)的反向電流 IRM愈小愈好 4 1 4二極管的應(yīng)用 1 限幅電路限幅器的功能就是限制輸出電壓的幅度 電路如圖 已知ui 10sin t V 且E 5V 試分析工作原理 并作出輸出電壓uo的波形 解 圖 a ui E D截止 uR 0 輸出uo ui 電路為正限幅電路 ui E D導(dǎo)通 uD 0 輸出uo E 2 二極管整流作用 圖示兩個(gè)電路 已知ui 10sin t V 試畫出輸出電壓uo的波形 解 圖 a ui 0 D導(dǎo)通 uo 0 ui 0 D截止 uo ui 圖 b ui 0 D導(dǎo)通 uo ui ui 0 D截止 uo 0 3 二極管的檢波作用 電路中RC構(gòu)成微分電路已知ui的波形 試畫出輸出電壓uo的波形 解 t 0時(shí) uR為正脈沖 t t1時(shí) uR為負(fù)脈沖 t t2時(shí) uR為正脈沖 uR 0時(shí) D截止 輸出uo 0 uR 0時(shí) D導(dǎo)通 輸出uo uR負(fù)脈沖 UA UB DA先導(dǎo)通 DA起箝位作用 使UF 3V UB UF DB截止 將UB與UF隔離 DA DB 為理想二極管 4 二極管的箝位和隔離應(yīng)用 電路中 輸入端UA 3V UB 0V 試求輸出端F的電位UF 解 5 二極管門電路 F A B 二極管與門 分析 真值表 邏輯表達(dá)式 邏輯符號 F A B 二極管或門 分析 真值表 邏輯表達(dá)式 邏輯符號 4 2特殊二極管 1 結(jié)構(gòu)和符號 4 2 1穩(wěn)壓二極管 面接觸型硅二極管 2 伏安特性 正向特性與普通硅二極管相同 未擊穿區(qū) oa段 I 0 反向截止 擊穿區(qū) 穩(wěn)壓區(qū)ab段 特性陡直 電壓基本不變 具有穩(wěn)定電壓作用 熱擊穿區(qū) b點(diǎn)以下線段 過熱燒壞PN結(jié) 3 穩(wěn)壓二極管的參數(shù) 3 電壓溫度系數(shù) U 4 穩(wěn)定電流IZ 最大穩(wěn)定電流Izmax 使用時(shí)穩(wěn)壓管的電流要大于IZ 小于最大穩(wěn)定電流Izmax 5 最大允許功耗PZM 穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗 圖示電路中 DZ1的UZ1 8 5V DZ2的UZ2 5 5V 正向壓降均為UD 0 5V 試求圖中輸出電壓Uo 解 解 如果超過 應(yīng)該增大R1或減小R2 1 符號和特性 符號 特性 工作條件 反向偏置 2 主要參數(shù) 電學(xué)參數(shù) 暗電流 光電流 最高工作范圍 光學(xué)參數(shù) 光譜范圍 靈敏度 峰值波長 實(shí)物照片 4 2 2 光電二極管 4 2 3發(fā)光二極管 當(dāng)管子接正向電壓 有電流通過時(shí) 會(huì)發(fā)出光線 不同半導(dǎo)體材料的二極管發(fā)出的光線的顏色不同 發(fā)光二極管用于信號指示 數(shù)碼管顯示器 發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的顯示器件 發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管相似 死區(qū)電壓為0 9 1 1V 其正向工作電壓為1 5 2 5V 工作電流為5 15mA 反向擊穿電壓較低 一般小于10V 磷砷化鎵 GaAsP 材料發(fā)紅光或黃光 磷化鎵 GaP 材料發(fā)紅光或綠光 氮化鎵 GaN 材料發(fā)藍(lán)光 碳化硅 SiC 材料發(fā)黃光 砷化鎵 GaAs 材料發(fā)不可見的紅外線 4 3半導(dǎo)體三極管 4 3 1三極管結(jié)構(gòu)及其放大作用 NPN型 PNP型 1 結(jié)構(gòu)及類型 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 半導(dǎo)體三極管圖片 基區(qū) 摻雜濃度最低并且很薄 集電區(qū) 摻雜濃度較低 發(fā)射區(qū) 摻雜濃度最高 2 晶體管的電流分配關(guān)系和放大作用 晶體管的電流放大的條件 內(nèi)部條件 三個(gè)區(qū)摻雜濃度不同 厚薄不同 外部條件 發(fā)射結(jié)加上正向電壓 集電結(jié)加上反向電壓 晶體管的電流分配關(guān)系 晶體管電流測試數(shù)據(jù) IC IE IB IC與IB之比稱為直流 靜態(tài) 電流放大系數(shù) 由KCL得 IE IC IB 結(jié)論 IC IE IB IC與 IB之比稱為交流 動(dòng)態(tài) 電流放大倍數(shù) IC 3 放大原理 B E N N P 發(fā)射到基區(qū)電子被收集和復(fù)合的比例系數(shù)就是電流放大系數(shù) 4 3 2特性曲線及主要參數(shù) 輸入回路 輸入特性IB f UBE UCE 輸出回路 輸出特性IC f UCE IB 死區(qū)電壓 硅管0 5V 鍺管0 2V 令UCE 常數(shù)IB f UBE 1 輸入特性 工作壓降 UBE 0 6 0 7V 硅管UBE 0 2 0 3V鍺管 2 輸出特性 放大區(qū) 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) 此區(qū)域中 IB 0 IC ICEO UBE 死區(qū)電壓 稱為截止區(qū) 0 截止區(qū) ICEO 此區(qū)域中UCE UBE 集電結(jié)正偏 IC不受IB影響 UCE 0 稱為飽和區(qū) 0 飽和區(qū) UCES 3 主要參數(shù) 前述電路中 三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點(diǎn) 稱為共射接法 相應(yīng)地還有共基 共集接法 共射直流電流放大系數(shù) 電流放大系數(shù) 和 共射交流電流放大系數(shù) 常用的小功率晶體管 值一般為20 200 集 基極反向電流ICBO ICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流 受溫度的變化影響 兩個(gè)極間電流 溫度 少子 ICBO ICBO越小越好 集 射極穿透電流ICEO ICEO不受IB控制 IB 0時(shí) IC ICEO IB 0時(shí) IC IB ICEO 電流ICEO 受溫度變化的影響較大 所以集電極電流應(yīng)為 IC IB ICEO 當(dāng)溫度上升時(shí) ICEO增加 IC也相應(yīng)增加 所以三極管的溫度特性較差 ICEO越小越好 不宜超過100 B E C N N P IB 0 1 ICBO 集電極最大允許電流ICM IC 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 極限參數(shù) 集 射極反向擊穿電壓U BR CEO 基極開路時(shí)集 射極之間的擊穿電壓U BR CEO 集電極最大允許耗散功率PCM 晶體管允許結(jié)溫下的最大熱損耗 使用晶體管時(shí) IC ICM UCE U BR CEO UCEIC PCM PCM UCEIC 安全工作區(qū) o 頻率參數(shù) 共射截止頻率f 晶體管的 值隨頻率而發(fā)生變化 頻率較低時(shí) 值基本不變 頻率較高時(shí) 開始下降 降到0 707倍時(shí)的頻率 稱為截止頻率f 4 3 3三極管的開關(guān)特性 非門 反相器 邏輯表達(dá)式 波形 放大電路中T1管各極電位為Ux 10V Uy 0V Uz 0 7V T2管各極電位Ux 0V Uy 0 3V Uz 5V 試判斷T1和T2的管子類型和材料 x y z各是何電極 解 NPN型管 UC UB UE PNP型管 UCUz Uy 所以x為集電極 y為發(fā)射極 z為基極 管子為NPN型 圖 b x與y的電壓為0 3V 為鍺管 因Uz Uy Ux 所以z為集電極 x為發(fā)射極 y為基極 管子為PNP型 圖示電路中 晶體管均為硅管 30 試分析各晶體管的工作狀態(tài) a 解 1 因?yàn)榛鶚O偏置電源 6V大于管子的導(dǎo)通電壓 故管子的發(fā)射結(jié)正偏 管子導(dǎo)通 電流 因?yàn)镮C ICS 所以管子工作在飽和區(qū) b 2 因?yàn)榛鶚O偏置電源 2V小于管子的導(dǎo)通電壓 管子的發(fā)射結(jié)反偏 管子截止 所以管子工作在截止區(qū) 3 因?yàn)榛鶚O偏置電源 2V大于管子的導(dǎo)通電壓 故管子的發(fā)射結(jié)正偏 管子導(dǎo)通 電流 因?yàn)镮C ICS 所以管子工作在放大區(qū) 4 4場效晶體管 FET 場效晶體管與雙極型晶體管不同 它是電壓控制元件 輸出電流取決于輸入電壓 不需要信號源提供電流 輸入電阻高 可達(dá)109 1015 溫度穩(wěn)定性好 耗盡型 增強(qiáng)型 4 4 1絕緣柵場效應(yīng)管 結(jié)構(gòu)和符號 P型襯底 絕緣柵場效應(yīng)管是一種金屬 M 氧化物 O 半導(dǎo)體 S 結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)管 簡稱為MOS MetalOxideSemiconductor 管 金屬鋁電極 兩個(gè)N 區(qū) 1 溝道增強(qiáng)型MOS管 柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的 稱絕緣柵型場效應(yīng)管 P溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)圖 UGS 0感應(yīng)出電子 出現(xiàn)以電子導(dǎo)電的N型導(dǎo)電溝道 工作原理 P N N G S D UGS 0時(shí) UGS UT 當(dāng)UGS 0時(shí) UDS 0 但I(xiàn)D 0 UDS一定 UGS值越大 電場作用越強(qiáng) 導(dǎo)電的溝道越寬 溝道電阻越小 ID就越大 開啟電壓UT UGS th 當(dāng)UGS UT UDS 0時(shí) UGS ID 輸出特性 截止區(qū) UGS UT電流ID 0管子處于截止?fàn)顟B(tài) 擊穿區(qū) 區(qū) 當(dāng)UDS太大時(shí) PN結(jié)反向擊穿 使ID急劇增加 會(huì)造成管子損壞 轉(zhuǎn)移特性 其中IDSS是UGS 2UT時(shí)的ID值 2 溝道耗盡型MOS管 預(yù)埋了導(dǎo)電溝道 耗盡型NMOS管輸出特性 耗盡型NMOS管轉(zhuǎn)移特性 UP UGS off 夾斷電壓 UGS UP UGS off 時(shí) 導(dǎo)電溝道消失 ID 0 UGS 溝道加寬 ID UGS 溝道變窄 ID 1 場效應(yīng)管的特點(diǎn) 1 在場效應(yīng)管中 溝道是唯一的導(dǎo)電通道 導(dǎo)電過程只有一種極性的多數(shù)載流子 為單極型管 2 場效應(yīng)管是通過柵源UGS電壓來控制電流ID 為壓控元件 3 場效應(yīng)管輸入電阻大 輸出電阻高 4 場效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm的值小 5 漏源極可互換使用 6 有較高的熱穩(wěn)定性 4 4 2場效應(yīng)管的特點(diǎn)和主要參數(shù) 2 場效應(yīng)管的主要參數(shù) 直流參數(shù)