《电工电子技术 少学时 第2版 教学课件 ppt 作者 罗厚军 第5章 半导体器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工电子技术 少学时 第2版 教学课件 ppt 作者 罗厚军 第5章 半导体器件（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 半导体器件,5.1 半导体基本知识 5.2 半导体二极管 5.3 晶体管 *5.4 场效应晶体管,5.1 半导体基本知识,5.1.1 半导体概述 自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。 (1)热敏性 所谓热敏性是指半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。 (2)光敏性 所谓光敏性是指半导体的导电能力随着光照的强弱而显著改变。 (3)杂敏性 所谓杂敏性就是半导体的导电能力会因为掺入适量杂质而发生显著变化。 5.1.2 本征半导体 纯净的、不含任何杂质且晶体结构排列整齐的半导体称为本征半导体。,5.1 半导体基本知识,5.1.3 杂质半导
2、体 本征半导体的导电能力很差，但是如果在本征半导体中掺入某种微量元素后，它的导电能力可增加几十万倍。根据掺入杂质的不同，杂质半导体又可分 1. N型半导体2. P型半导体,图5-2 P型半导体的形成及结构示意图,5.1 半导体基本知识,图5-3 杂质半导体结构示意图,5.2 半导体二极管,5.2.1 PN结的形成及单向导电性 单一的P型半导体或N型半导体是不能做成半导体器件的。 1. PN结的形成,图5- 4 PN结的形成,5.2 半导体二极管,(1)外加正向电压时PN结导通 将PN结的P区接电源的正极，N区接电源的负极，这种接法为正向接法或正向偏置，简称正偏。,图5-5 PN结外加电压,(2
3、)外加反向电压时PN结截止 将PN结的P区接电源的负极， N区接电源的正极，这种接法为反向接法或反向偏置，简称反偏。,2. PN结的单向导电特性,5.2 半导体二极管,5.2.2 二极管 1.二极管的结构,图5-6 二极管的结构及符号,半导体二极管，实质上是有一个PN结加上电极引线及外壳封装制成。由P区引出的电极为阳极或正极，由N区引出的电极为阴极或负极。二极管的结构及符号如图5-6所示。,5.2 半导体二极管,2.二极管的伏安特性曲线,图5-7 二极管的伏安特性曲线,5.2 半导体二极管,3.二极管的主要参数 (1)最大整流电流IF 最大整流电流IF是指二极管在一定温度下，长期运行时允许通过
4、的最大正向直流电流。 (2)反向击穿电压UBR 反向击穿电压UBR是指二极管反向击穿时的电压值。 (3)最高反向工作电压URM 最高反向工作电压URM是指确保二极管安全使用时所允许的最大反向电压。 (4)反向电流IR 反向电流IR(又称为反向饱和电流IS)是指在室温和规定的反向工作电压下的反向电流值。 (5)最高工作频率fM 最高工作频率fM就是二极管能保持单向导电性的外加电压的最高频率，其值的大小取决于PN结结电容的大小。 4.二极管的型号命名,5.2 半导体二极管,5.二极管的测试 6.二极管的应用 (1)整流应用 利用二极管的单向导电性，可以把大小和方向都随时间发生变化的正弦交流电变为单
5、向脉动的直流电。 (2)限幅应用 利用二极管的单向导电性，将输入电压限定在要求的范围之内，称为限幅。,图5-8 二极管的限幅应用,5.2 半导体二极管,(3)开关应用 因为二极管具有单向导电性，正向偏置时导通，反向偏置时截止，在电路中的作用类似于开关，因此在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用，如图5-9a所示为一简单电路。,图5-9 二极管的应用,(4)钳位作用 如图5-9b所示电路中，二极管在电路中起钳位作用，将输入信号的顶部钳位于直流电平-3V，作用类似于开关作用，选用的二极管也是开关二极管。,5.2 半导体二极管,例5.1 如图5-10所示电路中，已知二极管为硅管，电源电压为
6、U1=6V，U2=3V。电阻R=300，问二极管是否导通？Uab等于多少？流过电阻的电流各为多少？,图5-10 例5.1题图,解：分析时，可以先假设二极管不导通，来判断加在二极管两端的正向电压是否大于导通电压。若两端的电压大于导通电压，则二极管导通，电路中有电流，二极管两端的电压等于导通电压；若两端的电压小于导通电压，则二极管截止，电路中无电流。,5.2 半导体二极管,图5-11 例5.2题图,解：假设两个二极管都不导通，则由于二极管VD1两端的正向电压为5(-6)故二极管D1导通，此时3端的电位等于(50.6)V=4.4V；对于二极管VD2其两端正向电压为(0.74.4)V=-3.4V，故二
7、极管VD2截止。,例5.2 如图5-11所示电路中，已知输入端1的电位为U1=5V，输入端2的电位U2=0.7V，电阻R=1k，电源电压E=6V，二极管为硅管，求输出端3的电位和流过电阻R的电流。,5.2 半导体二极管,5.2.3 其他二极管 1.稳压二极管,图5-12 稳压管伏安特性曲线及电路符号,稳压二极管简称稳压管，是利用二极管的反向击穿特性，用特殊工艺制造的面接触型半导体二极管，稳压管可以稳定地工作在击穿区而不损坏。稳压二极管的外形、内部结构均与普通二管相似。常用的稳压二极管有2CW和2DW系列，其伏安特性曲线及电路符号如图5-12所示。,5.2 半导体二极管,(1)稳定电压值UZ 稳
8、定电压值UZ就是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压，它的大小取决于制造时的掺杂浓度，所以同一型号稳压管的稳定电压值也有所不同，例如2CW15型稳压管的稳定电压值在78.5V之间。 (2)最大稳压电流IZM和最大功率损耗PZM 最大稳定电流IZM指稳压管允许流过的最大工作电流。 (3)稳定电流IZ min 稳定电流IZ min又称最小稳压电流，是指稳压管正常工作时的最小电流值。,5.2 半导体二极管,图5-13 稳压管电路,使用稳压管组成稳压电路时，应使稳压管工作在反向击穿区。另外由于稳压管两端电压的变化量很小，为使输出电压比较稳定，稳压管应与负载电阻RL并联。如图5-13所示。,5.2 半
9、导体二极管,图5-14 例5.3题图,解：图5-14a中VS1、VS2串联反向连接于电路中，两个稳压管处于稳压状态，因此输出电压为Uo=6V+8V=14V。,例5.3 电路如图5-14所示，其中VS1的稳定电压值为6V，VS2的稳定电压值为8V，它们的正向压降为0.6V。求各电路的输出电压值。,5.2 半导体二极管,2.发光二极管 发光二极管（简称“LED”，是英文Light Emitting Diode缩写）是常见的电光器件，属于转换器件的一种，是可以将电能直接转换成光能的半导体件。发光二极管与普通二极管一样，也是由一个PN结构成的，其伏安特性曲线及电路符号如图5-15所示。 *3.光敏二极
10、管,图5-15 发光二极管的伏安特性曲线及电路符号,图5-16 光敏二极管的电路符号,5.2 半导体二极管,图5-17 光电数字转速表,光电二极管可以用来作为测光元件，也可以作为将光信号转换成电信号的元器件，如图5-17为光电数字转速表。 光电器件还可以和发光二极管一起组成光电耦合器件。实现电光电的传输和转换。如图5-18是常见的利用光信号来远距离传输电信号的原理示意图。,图5-18 远距离电信号传输的示意图,5.2 半导体二极管,图5-19 变容二极管的电路符号 及简单应用电路,*4.变容二极管,变容二极管是利用PN结反向偏置时电容大小随外加电压而发生变化的特性制成的。外加电压增大时电容减小
11、，反之电容增加。变容二极管的电路符号及简单应用电路如图5-19所示。,5.3 晶体管,5.3.1 晶体管的结构 晶体管的种类很多，按照半导体材料的不同可分为硅管、锗管；按照功率分为小功率管、中功率管和大功率管；按照频率分为高频管和低频管；按照制造工艺分为合金管和平面管等。,图5-20 常见晶体管的外形图,5.3 晶体管,图5-21 晶体管结构示意图及电路符号,5.3 晶体管,图5-22 晶体管内部载流子的运动和电流关系,1.晶体管的基本工作原理,2.各极电流分配关系,发射区向基区注入电子,形成发射极电流IE 从发射极发射出来的自由电子要和基区的空穴产生复合运动而形成基极电流IB 由于集电结反向
12、偏置，有利于将基区的自由电子（包括基区的少子和从发射区“发射”来的自由电子）收集到集电区，从而形成集电极电流IC,5.3 晶体管,5.3.2 晶体管的伏安特性曲线 晶体管的伏安特性曲线是指晶体管各极电压与电流之间的关系曲线。,图5-23测试共发射极特性曲线的电路,图5-24 晶体管的输入特性曲线,1.输入特性曲线,5.3 晶体管,图5-25 晶体管的输出特性曲线,2.输出特性曲线,(1)截止区 习惯上把IB0的区域称为截止区。 (2)放大区 各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线的区域为放大区。 (3)饱和区 通常认为在图5-25中对应uCE较小的区域为饱和区。,5.3 晶体管,表5-1 晶体
13、管工作状态及特点,例5.4 测得放大电路中两个晶体管的对地电位分别为A管(+3V、+3.2V、+9V)和B管(-11V、-6V、-6.7V)。试识别晶体管的各电极，并且判断晶体管是PNP型还是NPN型？是硅管还是锗管？ 解：在放大电路中，NPN型晶体管的三个电极电位关系为UCUBUE；PNP型晶体管的三个电极电位关系为UEUBUC。,5.3 晶体管,5.3.3 晶体管的主要参数 晶体管的参数表征了晶体管的性能和适用范围,是合理选择和正确使用晶体管的依据。 1.电流放大系数,表5-2 晶体管顶部标注的颜色及对应值的大概范围,2.极间反向电流 (1)集电极基极反向饱和电流ICBO 集电极基极反向饱
14、和电流ICBO是指在发射极断开时，基极和集电极之间的反向电流。,5.3 晶体管,(2)集电极发射极间反向电流ICEO 集电极发射极间反向电流 ICEO是指基极开路时，从集电极穿过基区流到发射极的电流，因此又称穿透电流，ICEO与反向饱和电流ICBO的关系为ICEO=ICBO+ICBO=(1+)ICBO。 3.极限参数 (1)集电极最大允许电流ICM 当集电极电流超过ICM时，晶体管性能变差，值下降。 (2)极间反向击穿电压 极间反向击穿电压表示外加在晶体管各电极之间的最大允许反向电压。,5.3 晶体管,图5-26 晶体管的安全工作区,(3)集电极最大允许损耗功率PCM PCM表示集电结上允许损
15、耗功率的最大值。,表5-4晶体管的型号命名及意义,5.3 晶体管,5.3.4 晶体管的型号命名 晶体管的型号命名与二极管的型号命名类似，同样有四部分组成。,5.3 晶体管,5.3.5 晶体管的测试及应用 1.晶体管的测试 2.晶体管的应用,在电路中的作用可归纳为放大应用和开关应用两大类 。在模拟电子电路中，晶体管主要工作于放大状态，利用晶体管的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值；当晶体管工作在截止区和饱和区时，分别相当于断开和闭合的开关，晶体管工作在开关状态，是基本的开关器件之一，主要应用于数字电路。,图5-27 晶体管的开关应用电路及输入、输出波形,*5.4 场效应晶体管,5.4.
16、1 结型场效应晶体管 1.结型场效应晶体管的结构和类型,图5-28 结型场效应晶体管的结构示意图及电路符号,晶体晶体管的自由电子和空穴两种截流子均参与导电，是双极型晶体管。本节介绍另一种类型的晶体管，它依靠一种截流子（多数载流子）参与导电，所以是一种单极型器件。又因为这种管子是利用电场效应来控制电流的，所以又称为场效应管（FET，英文Field Effect Transistor的缩写）。,从结型场效应管的结构可以看出，在栅极和导电沟道之间存在一个PN结。如果在栅极和源极之间加上反向电压UGS ，使PN结反向偏置，则改变UGS大小可以改变耗尽层的宽度。由于耗尽层变宽，相应的导电沟道将减小，使得导电沟道本身的电阻值增大，于是，漏极电流I将减小。所以，通过改变UGS的大小可以实现对漏极电流I的控制。,2.工作原理,*5.4 场效应晶体管,(1)转移特性曲线 转移特性曲线是指在漏源电压UDS一定时，输出回路的漏极电流ID与输入回路的栅源电压uGS之间的关系曲线。,3.伏安特性曲线,图5-29 N沟道结型场效应晶体管的特性曲线
