第14章 半导体器件1

下一页返回上一页退出章目录1/58《电工与电子技术2》主讲：李庆玲机电与信息工程学院机械系办公地点：机电楼402电话：[phone]E-mail：[e-mail]下一页返回上一页退出章目录3/58第14章半导体器件14.3二极管14.4稳压二极管14.5双极型晶体管14.2PN结及其单向导电性14.1半导体的导电特性14.6光电器件下一页返回上一页退出章目录4/58学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况,对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似,以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对于元器件，学习重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不过于追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标,就不要过分追究精确的数值。工程上允许一定的误差，可采用合理估算的方法。下一页返回上一页退出章目录5/5814.1半导体的导电特性半导体的导电特性：掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时,导电能力明显变化(可做成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。下一页返回上一页退出章目录6/5814.1.1本征半导体完全纯净的、晶格完整的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价键结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。价电子SiSiSiSiSiSiSiSi下一页返回上一页退出章目录7/58SiSiSiSiSiSiSiSi价电子价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后,即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子(带负电),同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。空穴下一页返回上一页退出章目录8/58本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流注意：(1)本征半导体中的载流子数目极少,其导电性能很差;(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中的载流子便维持一定的数目。下一页返回上一页退出章目录9/58SiSiSiSiSiSiSiSi14.1.2N型半导体和P型半导体掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),形成杂质半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。P+下一页返回上一页退出章目录10/58SiSiSiSiSiSiSiSi14.1.2N型半导体和P型半导体掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素在P型半导体中空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。下一页返回上一页退出章目录11/5814.2PN结及其单向导电性14.2.1PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体空间电荷区也称PN结。扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。下一页返回上一页退出章目录12/5814.2.2PN结的单向导电性1.PN结加正向电压(正向偏置)P接正、N接负内电场被削弱，多子的扩散加强,形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。PN结变窄外电场IF内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–U下一页返回上一页退出章目录13/582.PN结加反向电压(反向偏置)外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–U下一页返回上一页退出章目录14/58PN结变宽2.PN结加反向电压(反向偏置)外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少,形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增大。PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–U下一页返回上一页退出章目录15/5814.3二极管14.3.1基本结构(a)点接触型结面积小、结电容小、正向电流小，适用于高频和小功率工作，也用作数字电路中的开关元件。结面积大、结电容大、正向电流大，适用于低频整流电路。(b)面接触型触丝N型锗片引线外壳触丝N型锗片引线外壳N型硅负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球阳极引线N型硅负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球阳极引线下一页返回上一页退出章目录16/5814.3二极管(c)平面型14.3.1基本结构用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。阳极阴极D(d)符号P型硅N型硅阳极引线阴极引线SiO2保护层P型硅N型硅P型硅N型硅阳极引线阳极引线阴极引线阴极引线SiO2保护层SiO2保护层下一页返回上一页退出章目录17/58常见二极管外形图常见二极管外形图(a)(a)玻璃封装玻璃封装(b)(b)塑料封装塑料封装(c)(c)金属封装中、大功率二极管金属封装中、大功率二极管二极管二极管二极管二极管下一页返回上一页退出章目录18/58UIOUIO14.3.2伏安特性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压，二极管导通。外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅管0.6~0.8V锗管0.2~0.3V死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。下一页返回上一页退出章目录19/5814.3.3主要参数1.最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.反向峰值电流IRM指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。下一页返回上一页退出章目录20/58二极管的单向导电性1.二极管加正向电压(正向偏置，阳极接正、阴极接负)时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压(反向偏置，阳极接负、阴极接正)时,二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。下一页返回上一页退出章目录21/58分析方法：将二极管断开。若V阳V阴，则二极管导通；若V阳V阴，则二极管截止。实际二极管应考虑其正向压降(硅管0.6～0.7V，锗管0.2～0.3V)。理想二极管正向压降为零，反向截止。二极管的应用广泛。根据二极管的单向导电性，它可用于整流、检波、限幅、元件保护及在数字电路中作为开关元件等。使用注意二极管的应用下一页返回上一页退出章目录22/58uuIIt18V18VuuIIt18V18VuI8V，二极管导通，可看作短路，uO=8VuI8V，二极管截止，可看作开路，uO=ui例1：已知：,二极管是理想的，试画出uO波形。Vsin18Itu8V解：二极管阴极电位为8V。参考点二极管的应用举例1.二极管的限幅作用该电路为正限幅电路DD8V8VRRuuOOuuII++++––––++––DD8V8VRRuuOOuuII++++––––++––下一页返回上一页退出章目录23/58tuOO2.二极管的检波作用tuRO解：例2：电路中R和C构成一个微分电路。输入电压uI的波形如图所示，试画出输出电压uO的波形。uORRLuICDuR+–+–+–tuIt1t2O例2：电路中R和C构成一个微分电路。输入电压uI的波形如图所示，试画出输出电压uO的波形。uORRLuICDuR+–+–+–uORRLuICDuR+–+–+–tuIt1t2OtuIt1t2O解：二极管起检波作用，除去正尖脉冲。下一页返回上一页退出章目录24/58VAVB,DA优先导通，使VY=3V。VBVY，DB截止，将VB与VY隔离。3.二极管的箝位和隔离作用例3：图示电路中，输入端VA=+3V,VB=0V，试求输出端Y的电位VY。设DA、DB，为理想二极管。解：VYAB-12V0V+3VDARDBDA起箝位作用。DB起隔离作用。下一页返回上一页退出章目录25/58UIUI14.4稳压二极管1.符号和外形图UZIZIZMUZIZ2.伏安特性使用时要加限流电阻O+–稳定电压UZ最大电流工作电流稳压二极管正常工作时加反向电压。稳压二极管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。下一页返回上一页退出章目录26/58稳压二极管下一页返回上一页退出章目录27/583.主要参数(1)稳定电压UZ稳压二极管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数u环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻ZZZIUr(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。下一页返回上一页退出章目录28/5814.5双极型晶体管14.5.1基本结构铟球N型锗BECPP铟球铟球N型锗BECPP铟球BEP型硅N型硅SiO2保护膜N型硅CBEP型硅N型硅SiO2保护膜N型硅C(b)合金型(a)平面型常见晶体管的外形图下一页返回上一页退出章目录29/58双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管下一页返回上一页退出章目录30/58晶体管的结构示意图和符号(a)NPN型晶体管；(b)PNP型晶体管CE发射区发射区集电区集电区基区基区P发射结发射结P集电结集电结N集电极集电极发射极发射极基极基极BCE发射区发射区集电区集电区基区基区P发射结发射结P集电结集电结NCE发射区发射区集电区集电区基区基区P发射结发射结P集电结集电结N集电极集电极发射极发射极基极基极BCE发射区发射区集电区集电区基区基区集电结集电结发射结发射结NNP基极基极发射极发射极集电极集电极BCE发射区发射区集电区集电区基区基区集电结集电结发射结发射结NNPCE发射区发射区集电区集电区基区基区集电结集电结发射结发射结NNP基极基极发射极发射极集电极集电极B(a)NNCEBPCETBIBIEIC(a)NNCEBPNNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(a)NNCEBPCETBIBIEIC(a)NNCEBPNNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC下一页返回上一页退出章目录31/58基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度