《模拟电子技术及应用 教学课件 ppt 作者 杨燕 等 项目1 半导体器件及检测》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术及应用 教学课件 ppt 作者 杨燕 等 项目1 半导体器件及检测（181页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、项目1 半导体器件及检测,点击进入项目1学习,半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件，是设计者设计符合目的，功能正常、性能可靠的电路必需掌握的基本要素，本章将从使用的角度出发介绍各种半导体器件，如二极管、三极管及场效应管的外部特性、主要参数及检测方法。,本章的重点 从使用的角度出发掌握半导体器件的外部特性、主要参数及检测方法。,半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。,为什么采用半导体材料制作电子器件？ 空穴是一种载流子吗？其导电能力与自由电子一样吗？ 什么是N型半导体？什么是P型半导体？当两种半导体制作在一起时会发生什么现象？ PN结上所加
2、端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向导电性？ 如何检测常见半导体器件？,讨论的问题,PN结正向和反向特性测试研究： 老师演示：PN结正向和反向特性仿真测试，并介绍 仿真软件的基本应用。 学生仿真练习：按实训报告步骤完成测试任务。,一、半导体 物质的导电能力决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。,1.1 半导体的基本知识（背景知识）,常用的半导体材料硅（Si14)和锗（Ge32
3、)均为四价元素（其原子最外层轨道上都具有 4 个价电子），它们的最外层电子既不象导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。,半导体硅和锗的简易原子结构示意图,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,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、三极管和晶闸管等）。,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、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,半导体的特殊特性：,二 本征半导体 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶
4、体，即为本征半导体。,图 1 1 硅和锗简化原子 结构模型,1、原子结构 常用的半导体材料是硅和锗, 它们都是四价元素（四个价电子）。为便于讨论, 采用下图简化的原子结构模型。,图 1 2 本征半导体共价键晶体结构示意图,制成单晶体时, 每个原子都和周围的个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来。,共价键具有很强的结合力。因此常温下只有少数价电子由于热运动能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时在共价键中留下一个空位, 称为空穴。原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。,本征半导体中的自由电子和空穴,2、两种载流子,半导体中存在着两种载流子（运载电荷的粒子）：带负电的自由电子和带正电的
5、空穴这是半导体导电的特殊性。,在外电场的作用下，会形成电流即自由电子电流和空穴电流之和。故,在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体.,1、N型半导体,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,三 杂质半导体,2、P型半导体,在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半
6、导体或P型半导体.,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,通过一定的生产工艺把一块P半导体和一块N型半导体结合在一起，则它们的交界处就会形成PN结，这是构成各种半导体器件的基础。,四 结,PN结具有单向导电性。,实验 PN结正向和反向特性测试研究： 老师演示：PN结正向和反向特性仿真测试，并介绍 仿真软件的基本应用。 学生仿真练习：按实训报告步骤完成测试任务。,点评： PN结的形成,P型和N型半导体相接触，其交界面两侧由于载流子的浓度差，将产生扩散运动（即P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散），形成扩散电流。,1）、扩散运动,由于扩散，在分界面附近的N区出现正
7、离子、负离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，并产生内电场，正好阻止扩散运动的进行,随着内电场的加强,多子的扩散运动逐步减弱,直至停止,使交界面形成一个稳定的特殊的薄层,即PN结。,2）空间电荷区的形成,在内电场的作用下，少子产生了漂移。其方向与扩散方向相反。平衡时扩散运动与漂移运动相等，空间电荷区具有一定的宽度，电流为零。这样空间电荷区呈现高阻，称之为阻挡层。,3）漂移运动,五 结的单向导电特性,给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电源负极。 由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区多数载流子向对方扩散,形成正向电流,
8、此时PN结处于正向导通状态。 ,1. 结外加正向电压,电源的正极接区, 负极接区, 则称此为反向偏置。此时外加电压增强了自建场, 使阻挡层变宽,阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用下,只有少数载流子形成的很微弱的电流,称为反向电流。,2. 结外加反向电压,反向电流是由少子所形成的, 故反向电流很小, 而且当外加反向电压超过零点几伏时, 反向电压再增加, 反向电流也不会增加，称为反向饱和电流, 即 。 结处于截止状态, 呈现的电阻阻值很大, 高达几百千欧以上。,结加正向电压, 处于导通状态；加反向电压, 处于截止状态, 即结具有单向导电特性。,PN结正向和反向特性测试研究： 老师演示：PN结正向
9、和反向特性仿真测试，并介绍 仿真软件的基本应用。 学生仿真练习：按实训报告步骤完成测试任务。,思考： 1 如何将二极管正向偏置？ 2 请用万用表测量二极管的正向电阻和反向电阻。 3 写出所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V。,仿真训练： 按实训报告步骤完成稳压管稳压电路的 测试任务，并思考结果。,PN结处于反向偏置时,当反向电压超过某一数值()后, 反向电流急剧增加, 这种现象称为反向击穿, 如图所示。称为击穿电压。,点评： 结的击穿,稳压二极管正是利用了结的反向击穿特性来实现稳压的, 当流过结的电流变化时, 结电压保持基本不变。,发生击穿并不一定意味着结被损坏。当PN结反向击
10、穿时, 只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻实现), 不使其过大, 以免因过热而烧坏结, 当反向电压(绝对值)降低时, 结的性能就可以恢复正常。,扩展： 结的电容效应,结两端加上电压, 结内就有电荷的变化, 说明结具有电容效应。,由于一般都很小，（结面积小的为1PF，结面积大的为几十至几百PF），对于低频信号呈现出很大的容抗，其作用可忽略不计，因而只在信号频率较高时才考虑结电容的作用。,半导体二极管是由一个结加上引线和管壳构成的，由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极。,1.2 半导体二极管,常见的外形如图：,二极管的类型很多, 按制造二极管的材料分, 有硅二极管和锗二极管。
11、从管子的结构来分, 有以下几种常见的类型：,点接触型二极管。PN结的面积非常小，因此不能通过较大电流；但结面积小，结电容也小，一般在1PF以下，工作频率在100MHZ以上，故适用于高频电路和小功率整流情况。,2、面接触型二极管。主要特点是PN结的结面积很大，因而能通过较大的电流；但结电容也大，只能在较低的频率下使用，一般仅作为整流管。,3. 平面型 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。,1、二极管的伏安特性（外部特性）,常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。,正向电压大于死区电压 后，正向电流 随着正向电压 增大迅速上升。 通常死区电压硅管约 0
12、.5V，锗管约为0.2V。导通 后硅管电压为0.7V，锗管为 0.3V。,（1）正向特性：,二极管加反向电压, 反向电流数值很小, 且基本不变, 称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安()数量级, 锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时, 反向电流急剧增加, 产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。,(2) 反向特性：,（图中虚线为锗管的伏安特性,实线为硅管的伏安特性）。,(3) 二极管的温度特性 二极管的特性对温度很敏感, 温度升高, 正向特性曲线向左移(正向压降减小）, 反向特性曲线向下移（反向电流增大）。,晶体二极管的参数规定了二极管的适用范围， 它是
13、合理选用二极管的依据。晶体二极管的主要参数有最大整流电流、 高反向工作电压、反向电流。 (1) 最大整流电流 它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于, 如超过, 二极管将过热而烧毁。 (2) 最大反向工作电压 这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时, 二极管可能被击穿。为了留有余地, 通常取击穿电压的一半作为。,2. 二极管的主要参数,(3) 反向电流 指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小, 二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成, 所以值受温度的影响很大。 (4) 最高工作频率 的值主要取决于结结电容的大小, 结电容越大, 则二极管允许
14、的最高工作频率越低。,晶体二极管内部实质上是一个PN结。当外加正向电压， 二极管导通呈低电阻，当外加反向电压，二极管截止呈高电阻。因此可应用万用表的电阻挡鉴别二极管的极性和判别其质量的好坏。,实训室：二极管的检测,将万用表置于R100或R1k()挡（R1挡电流太大,用R10k()挡电压太高,都易损坏管子）。如图所示,万用表简易测试二极管示意图 (a)电阻小；(b)电阻大,说明： 二极管使用注意事项 二极管使用时，应注意以下事项： (1)二极管应按照用途、参数及使用环境选择。 (2)使用二极管时,正、负极不可接反。通过二极管的电流,承受的反向电压及环境温度等都不应超过手册中所规定的极限值。 (3
15、)更换二极管时,应用同类型或高一级的代替。 (4)二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于2mm,以免造成引线折断或外壳破裂。,技能实训： 按实训报告步骤完成二极管的检测任务,点评： 半导体二极管的应用 二极管是电子电路中最常用的半导体器件。利用其单向导电性及导通时正向压降很小的特点，可用来进行整流、钳位、 限幅、 开关以及元件保护等各项工作。 1 整流 所谓整流, 就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路， 然后再经过滤波、稳压，便可获得平稳的直流电。 2 钳位 利用二极管正向导通时压降很小的特性， 可组成钳位电路，如图所示。,图中，若A点
16、UA=0，二极管VD可正向导通，其压降很小， 故F点的电位也被钳制在0V左右， 即UF0。 ,3 限幅作用 利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性， 可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值以内。,串联限幅电路,双向限幅电路,仿真任务： 双限幅电路研究 按实训报告步骤完成仿真测试任务,剖析：二极管的应用,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通
