電工學(xué)14第六版下冊(cè)電子技術(shù)第14章課件

1、第十四章 半導(dǎo)體器件電子技術(shù)模擬電路部分(1-0)第十四章 半導(dǎo)體器件 14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?14.3 二極管 14.4 穩(wěn)壓二極管 14.5 晶體管 14.6 光電器件1導(dǎo) 體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金 屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類(lèi)物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如： 當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能

2、力明顯變化 - 熱敏特性、光敏特性。 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 - 摻雜特性。314.1.1 本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)GeSi 通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。 現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅(Si)和鍺(Ge)，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。4本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在硅和鍺晶體中，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而相鄰四個(gè)原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相鄰的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：5硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子6 共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子

3、被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。 共價(jià)鍵形成后，每個(gè)原子最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。 共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+47二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以自由運(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。在常溫下，由于熱激發(fā)，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。1.載流子、自由電子和空穴8+4+4+

4、4+4自由電子空穴束縛電子自由電子、空穴成對(duì)出現(xiàn)92.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4 在其它力的作用下，空穴可吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，其結(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)，因此可認(rèn)為空穴是載流子。 本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子：自由電子和空穴。自由電子：在晶格中運(yùn)動(dòng)；空穴：在共價(jià)鍵中運(yùn)動(dòng)10 溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。1114.1.2 N 型半導(dǎo)

5、體和P 型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子的濃度大大增加。P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。12一、N 型半導(dǎo)體+4+5+4+4多余電子磷原子在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。13二、P 型半導(dǎo)體在硅或

6、鍺晶體中摻入少量三價(jià)元素硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空位。這個(gè)空位可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。+4+4+3+4空位硼原子P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子?？昭?4三、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 雜質(zhì)型半導(dǎo)體中多子和少子的移動(dòng)都可形成電流，但由于數(shù)量關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子，受溫度影響較小。15PN 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)。14.2 PN 結(jié)及其

7、單向?qū)щ娦?6P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)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)就越強(qiáng)，而漂移的結(jié)果使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。17P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) 當(dāng)擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。18+空間電荷區(qū)N 型區(qū)P 型區(qū)19PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)加正電壓、N 區(qū)加負(fù)電壓。 PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)電壓、N 區(qū)加正電壓。20一、PN 結(jié)加正向電壓內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+RE+_ 內(nèi)電場(chǎng)

8、被削弱，多子擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形成較大的正向電流。21二、PN 結(jié)加反向電壓+內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_RE 內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多子擴(kuò)散受到抑制，少子漂移加強(qiáng)，但因少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。22總結(jié)： 1、加正向電壓時(shí)，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，呈低電阻，正向電流較大。 2、加反向電壓時(shí)，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，呈高電阻， 反向電流很小。PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦?3一、基本結(jié)構(gòu)：PN 結(jié)加上管殼和引線。 結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。14.3 二極管

9、24UI硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓，二極管才能導(dǎo)通。 外加電壓大于反向擊穿電壓時(shí)，二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性?.60.8V鍺0.20.3V死區(qū)電壓PN+PN+ 反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。 二、伏安特性：非線性25三、主要參數(shù)1. 最大整流電流 IOM二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2. 反向工作峰值電壓URWM保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓U(BR)的一半或三分之二。點(diǎn)接觸型D 管為數(shù)十伏，面接觸型D管可達(dá)數(shù)百伏。通常二極管擊穿時(shí)，其反向電流劇增，單向?qū)щ娦员黄茐模?/p>

10、甚至過(guò)熱而燒壞。263. 反向峰值電流 IRM指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流越大，說(shuō)明二極管的單向?qū)щ娦栽讲睢７聪螂娏魇軠囟扔绊?，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較?。?V陰 導(dǎo)通 V陽(yáng) 0 導(dǎo)通 UD VB故：DA優(yōu)先導(dǎo)通 DB截止若：DA導(dǎo)通壓降為0.3V則：VY = 2.7V解：P12：例14.3.2DA-12VVAVBVYDBR31例3：已知：管子為鍺管，VA = 3V，VB = 0V。導(dǎo)通壓降為0.3V，試求：VY = ?方法：先判二極管誰(shuí)優(yōu)先導(dǎo)通， 導(dǎo)通后二極管起嵌位作用 兩端壓降為定值。因：VA 8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二極

11、管截止，可看作開(kāi)路 uo = ui已知： 二極管是理想的，試畫(huà)出 uo 波形。8V例4：二極管的用途： 整流、檢波、限幅、鉗位、開(kāi)關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為 8 VD8VRuoui+33UI硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓，二極管才能導(dǎo)通。 外加電壓大于反向擊穿電壓時(shí)，二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。?.60.8V鍺0.20.3V死區(qū)電壓PN+PN+ 反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。 伏安特性：非線性34符號(hào) UZIZIZM UZ IZ伏安特性 穩(wěn)壓管正常工作時(shí)，需加反向電壓，工作于反向擊穿區(qū)。使用時(shí)要加限流電阻穩(wěn)壓

12、原理： 穩(wěn)壓管反向擊穿以后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小。_+UIO14.4 穩(wěn)壓二極管曲線越陡電壓越穩(wěn)35(1) 穩(wěn)定電壓 UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。(2) 電壓溫度系數(shù) U 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3) 動(dòng)態(tài)電阻(4) 穩(wěn)定電流 IZ 、最大穩(wěn)定電流 IZM(5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù):36例1：已知：Uz = 12V，IZM = 18mA，R = 1.6K。 試求：Iz = ? 限流電阻 R 的阻值是否合適？解：Iz = ( 20 Uz ) / R = ( 20-

13、12 ) / 1.6x103 = 5mA因：IZ IZM故：限流電阻 R 的阻值合適P14：例 14.4.1+IZDZ+20VR=1.6kUZ=12VIZM=18mA3714.5.1 基本結(jié)構(gòu)常見(jiàn)：硅管主要是平面型，鍺管都是合金型(a)平面型(b)合金型BEP型硅N型硅SiO2保護(hù)膜銦球N型鍺N型硅CBECPP銦球結(jié)構(gòu)圖14.5 晶體管38NPN型晶體管PNP型晶體管發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)集電結(jié)發(fā)射結(jié)基極發(fā)射極集電極CENNPB發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電極發(fā)射極基極CEPPNBNNCEBPCETBIBIEIC符號(hào)BECPPNETCBIBIEIC符號(hào)39基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最

14、高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：集電區(qū)：面積最大40BECNNP 三極管放大的外部條件： 發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏 PNP發(fā)射結(jié)正偏 VBVE集電結(jié)反偏 VCVE集電結(jié)反偏 VCVB EBRBECRC14.5.2 電流分配和放大原理從電位的角度看41晶體管電流放大的實(shí)驗(yàn)電路 設(shè) EC = 6 V，改變可變電阻 RB，則基極電流 IB、集電極電流 IC 和發(fā)射極電流 IE 都發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果如下表： 各電極電流關(guān)系及電流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG10042IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.

15、100.0010.701.502.303.103.95IC ，稱為飽和區(qū)54IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0 此區(qū)域中 ：IB=0, IC=ICEO UBE UBE ，IC = IB , 且 IC = IB+ UBE 0 CT E ICIEIB+UCEB - UBC IC+IEB+ UBE 0 CT E - UBC 0+ 57(3) 截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。 UBE 死區(qū)電壓，IB=0 ， IC=ICEO 0 IC = 0IB = 0+UCE UCCIEB+ UBE 0 CT E - UBC 0+ 58已知UCE=6V時(shí)：IB=40

16、A, IC=1.5mA 求 和 。IB=60 A, IC=2.3mA在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：=例題23頁(yè)例14.5.2：解：IB=020A40A60A80A100A36IC(mA )1234UCE(V)9120Q1Q259三、主要參數(shù) 前述電路中，三極管的發(fā)射極是輸入和輸出的公共點(diǎn)，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)： 工作于動(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)?；鶚O電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：1. 電流放大倍數(shù)和 602.集-基極反向截止電流 ICBO ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流，受溫度的影響大。 溫度ICBOICBOA+EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+ ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。614.集電極最大允許電流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