《模拟电子技术 第2版 教学课件 PPT 作者 苏士美 第1章 半导体器件基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术 第2版 教学课件 PPT 作者 苏士美 第1章 半导体器件基础（153页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、模拟电子技术（第2版）,第1章 半导体器件基础,1.1 半导体基础知识,半导体导电具有的特点： 热敏性：当半导体材料受外界热刺激时，其导电能力将发生显著改变；,光敏性：当半导体材料受外界光照射时，其导电能力将发生显著改变； 掺杂性：在纯净半导体材料中，掺入微量杂质，半导体的导电能力会有显著增加。,1.1.1 本征半导体,完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。,1本征半导体的原子结构及共价键 2本征激发和两种载流子自由电子和空穴 在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。,图1.1 硅和锗的原子结构和共价键结构,图1.2 本征激发产生电子空穴对,空穴也是一种载流子。 半导体材料
2、中空穴越多，其导电能力也就越强。,3结论, 半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。 本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。, 一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。 温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。 空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。,图1.3 束缚电子填补空穴的运动,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。,1N型半导体,N型半导体中，自由电子为多数载流子，简称为多子；空穴为少数载流子，简称
3、为少子。 N型半导体主要靠自由电子导电。,2P型半导体,P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。 P型半导体主要靠空穴导电。,图1.4 N型半导体的共价键结构,图1.5 P型半导体共价键结构,1.1.3 PN结及其单向导电性,1PN结的形成 多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。,图1.6 P型和N型半导体交界处载流子的扩散,P区和N区在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，此离子层被称为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7所示。,图1.7 PN结的形成,少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。 漂移运动和扩
4、散运动的方向相反。,2PN结的单向导电性,（1）PN结外加正向电压 PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。,图1.8 PN结外加正向电压,PN结正向导通时，通过PN结的电流（正向电流）大，而PN结呈现的电阻（正向电阻）小。,（2）PN结外加反向电压,PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图1.9。,图1.9 PN结外加反向电压,PN结反向截止时，通过PN结的电流（反向电流）小，而PN结呈现的电阻（反向电阻）大。 因为环境温度愈高，少数载流子的数目愈多，所以温度对反向电流的影响很
5、大。,结论：PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管的结构及符号 二极管同PN结一样具有单向导电性。,图1.10 不同结构的各类二极管,图1.11所示为二极管的符号。 由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。,根据使用的不同，二极管的外形各异，图1.12所示为几种常见的二极管外形。,图1.12 常见的二极管外形,有关半导体二极管器件型号命名的方法，参见本书附录B实用资料速查B1部分。,1.2.2 二极管的伏安特性和主要参数,1二极管的伏安特性 二极
6、管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。,（1）正向特性,如图1.13所示，当二极管所加正向电压比较小时（0UUth），二极管上流经的电流为0，管子仍截止，此区域称为死区，Uth称为死区电压（门坎电压）。 硅二极管的Uth约为0.5V，锗二极管的Uth约为0.1V。,图1.13 二极管的伏安特性曲线,硅二极管的正向导通压降约为0.7V，锗二极管的正向导通压降约为0.3V。,（2）反向特性,二极管外加反向电压时，反向电流很小（IIS），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此称此电流值为二极管的反向饱和电流。 这时二极管呈现的电阻很大，认为管子处于截
7、止状态。,（3）反向击穿特性,当反向电压的值增大到UBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿，UBR称为反向击穿电压。,2二极管的温度特性,二极管是对温度非常敏感的器件。 随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移。 图1.14所示为温度对二极管伏安特性的影响。,图1.14 温度对二极管伏安特性的影响,3二极管的主要参数,（1）最大整流电流 最大整流电流（IF）是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。,（2）反向击穿电压,反向击穿电压（UBR）是指二极管击穿时的电压值。 一般手册中给出的最高反向工
8、作电压（峰值）URM约为击穿电压的一半，以确保管子安全工作。,（3）反向饱和电流,反向饱和电流（IS）是指管子没有击穿时的反向电流值。 其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。,1.2.3 二极管的测试,1二极管极性的判定 若二极管性能良好，但看不出二极管的正负极性，可用万用表的欧姆挡（R100或R1k挡）测量其极性。,图1.15 二极管极性的测试,2二极管好坏的判定,用万用表的欧姆挡（R100或R1k挡）测量二极管的正、反向电阻。 若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管性能良好。, 若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。 若测得的反向电
9、阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。,1.2.4 二极管应用电路举例,例题1-1：二极管工作状态的判定。如图1.16所示电路，判定电路中硅二极管的工作状态，并计算UAB的值。,解：判定二极管工作状态的方法： 假定断开二极管，估算其两端的电位； 接上二极管判定其是正偏还是反偏。若二极管正偏，则导通；否则二极管截止。,图1.16 判定二极管的工作状态,VD正偏导通。UAB=0.7V。 例题1-2：二极管低压稳压应用电路。图1.17所示为硅二极管构成的低压稳压电路，试计算Uo的值。,图1.17 二极管低压稳压电路,解：输出电压Uo为两个硅二极管的正向导通压降之和，即Uo=1.4V。,例题1-
10、4：二极管限幅电路。图1.19所示为双向限幅电路，设二极管理想，输入电压为幅度为15V的正弦波，试对应输入电压画出输出电压的波形。,图1.19 双向限幅电路,1.2.5 特殊二极管,1稳压二极管 稳压二极管又名齐纳二极管，简称稳压管，稳压管工作于反向击穿区。 （1）稳压管的伏安特性和符号 图1.20所示为稳压管的伏安特性和符号。,图1.20 稳压二极管的伏安特性和符号,（2）稳压管的主要参数, 稳定电压UZ。它是指当稳压管中的电流为规定值时，稳压管在电路中其两端产生的稳定电压值。, 稳定电流IZ。稳定电流为稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZm
11、ax之分。若稳压管中流过的电流小于IZmin，稳压管没有稳压作用；若稳压管中流过的电流大于IZmax，稳压管会因过流而损坏。, 耗散功率PM。它是指稳压管正常工作时，管子上允许的最大耗散功率。由耗散功率PM和稳定电压UZ可以决定最大稳定电流IZmax。反向工作时PN结的功率损耗为PZ=UZ IZ。,（3）应用稳压管应注意的问题, 稳压管稳压时，一定要外加反向电压，保证管子工作在反向击穿区。当外加的反向电压值大于或等于UZ时，才能起到稳压作用；若外加的电压值小于UZ，稳压二极管相当于普通的二极管。, 在稳压管稳压电路中，一定要配合限流电阻的使用，保证稳压管中流过的电流在规定的电流范围之内。,（4
12、）稳压管应用电路,例题1-5：如图1.21所示的稳压管稳压电路，若限流电阻R=1.6k，UZ=12V，IZmax=18mA，通过稳压管的电流IZ等于多少？限流电阻的值是否合适？,图1.21 稳压管稳压电路,解：由图可得： 因为IZIZmax，所以限流电阻的值合适。,例题1-6：稳压管限幅电路。如图1.22所示，输入电压ui为幅度为10V的正弦波，电路中使用两个稳压管对接，已知UZ1=6V，UZ2=3V，稳压二极管的正向导通压降为0.7V，试对应输入电压ui画出输出电压uo的波形。,图1.22 稳压二极管限幅电路,解：输出电压uo的波形如图1.22所示，uo被限定在6.7V+3.7V之间。,1.
13、3 半导体三极管,1.3.1 三极管的结构及符号 三极管从结构上来讲分为两类：NPN型和PNP型三极管。,图1.26 三极管的结构示意图和符号,符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。 常见的三极管外形如图1.27所示。,图1.27 常见的三极管外形,有关半导体三极管器件型号命名方法，参见本书附录B实用资料速查B1部分。,1.3.2 三极管的电流分配原则及放大作用,三极管实现放大的外部条件是其发射结必须加正向电压（正偏），而集电结必须加反向电压（反偏）。,1实验结论,由实验及测量结果可以得出以下结论： 满足关系：IE=IC+IB； 定义 ， 叫做三极管的直流电流 放大系数。,定义
14、 ， 称为三极管的交流电流 放大系数。 一般有三极管的电流放大系数： 。 穿透电流ICEO越小越好。,2三极管实现电流分配的原理,（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE （2）自由电子在基区与空穴的复合形成基极电流IB （3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流IC,PNP管与NPN管的工作过程类似，只是所加的电压极性、产生的电流方向与NPN管刚好相反。,3结论, 要使三极管具有放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。 一般有1。通常认为 。 三极管的电流分配及放大关系式为,图1.29 三极管内部载流子的传输与分配,例题1-7：在图1.28所示的电路中，
15、若测得IB=0.025mA，取=50。试计算IC和IE的值。 解： ，,1.3.3 三极管的特性曲线及主要参数,1三极管的特性曲线 三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。 （1）输入特性曲线 （2）输出特性曲线,图1.30 三极管的输入特性,图1.31 三极管的输出特性,一般把三极管的输出特性分为三个工作区域，下面分别介绍。 截止区。三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点：,a发射结和集电结均反向偏置； b若不计穿透电流ICEO，有IB、IC近似为0； c三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。, 放大区。三极管工作在放大状态
16、时，具有以下特点： a三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置； b基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化，有电流关系式： ；,c对NPN型的三极管，有电位关系 ； d对NPN型硅三极管有发射结电压 ，锗三极管有 。, 饱和区。三极管工作在饱和状态时具有如下特点： a三极管的发射结和集电结均正向偏置； b三极管的电流放大能力下降，通常有 ；,cUCE的值很小，称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V。 d三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。,三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工
