电工学 常用半导体器件.ppt

第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 第一节第一节 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 第三节第三节 特殊二极管特殊二极管 第四节第四节 晶体管晶体管 第五节第五节 场效应晶体管场效应晶体管 习习 题题 目录目录 第一节第一节 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 半导体的导电特点半导体的导电特点 PN结结 返返 回回 一、半导体的导电特点一、半导体的导电特点 1.半导体材料半导体材料 物质分为导体、半导体、物质分为导体、半导体、绝缘体。半导体是绝缘体。半导体是4价元素。价元素。半导体材料的特点：半导体材料的特点：半导体的导电能力受光和热影响半导体的导电能力受光和热影响。T 导电能力导电能力 光照光照导电能力导电能力 纯净的半导体掺入杂质导电性会大大增强。纯净的半导体掺入杂质导电性会大大增强。返回返回+4+4 纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。半导体。本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子 自由电子自由电子 ()空空 穴穴 （+）2.本征半导体本征半导体 空穴与电子成对出现并可以复合。空穴与电子成对出现并可以复合。*空穴的移动空穴的移动 返回返回 3.杂质半导体杂质半导体 N型半导体型半导体 掺掺5价元素，如磷，自价元素，如磷，自由电子数多于空穴数，由电子数多于空穴数，自由电子数是多子。自由电子数是多子。P型半导体型半导体 掺掺3价元素，如硼，价元素，如硼，空穴数多于自由电子空穴数多于自由电子数，空穴是多子。数，空穴是多子。返回返回 N型半导体型半导体 磷原子磷原子 硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示+4+5+4+4 硅或锗硅或锗+少量磷少量磷 N型半导体型半导体 多余电子多余电子 返回返回 P型半导体型半导体 硼原子硼原子 P型硅表示型硅表示+4+4+4+3 硅原子硅原子 硅或锗硅或锗+少量硼少量硼 P型半导体型半导体 多余空穴多余空穴 返回返回 返回返回 4扩散运动与漂移运动扩散运动与漂移运动 载流子由于浓度差异而形成运动叫载流子由于浓度差异而形成运动叫扩散运动扩散运动。在电场作用下在电场作用下，载流子的定向运动叫载流子的定向运动叫漂移漂移运动运动。1.PN结的形成结的形成 二二、PN结结 扩散运动扩散运动 空间电荷区空间电荷区 削弱内电场削弱内电场 漂移运动漂移运动 内电场内电场 动态平衡动态平衡 P 内电场内电场 电荷区空间电荷区空间 扩散运动扩散运动 漂移运动漂移运动 N 返回返回 外电场方向与内电场方向相反外电场方向与内电场方向相反 空间电荷区空间电荷区(耗尽层耗尽层)变薄变薄 扩散漂移扩散漂移 导通电流很大导通电流很大,呈低阻态。呈低阻态。2.PN结的单向导电性结的单向导电性 P N 内电场内电场 外电场外电场 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）P（+）N（）（）返回返回 少子形成的电流，可忽略。少子形成的电流，可忽略。外电场与内电场相同外电场与内电场相同 耗尽层加厚耗尽层加厚 漂移扩散漂移扩散 少子形成反向电流少子形成反向电流IR，很小很小，呈高阻态呈高阻态。N P 内电场内电场 外电场外电场 加反向电压（反偏）加反向电压（反偏）P（）（）N（+）PN结正偏，导通；结正偏，导通；PN结反偏，截止结反偏，截止 返回返回 第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性 半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数 返返 回回 一、半导体二极管的伏安特性一、半导体二极管的伏安特性+P区阳极区阳极 N区阴极区阴极 阳极阳极 阴极阴极 1.正向特性正向特性 死区电压死区电压 硅管硅管 0.5V 锗管锗管 0.1V 正向导通电压正向导通电压 硅管硅管 0.7V 锗管锗管 0.3V I/mA U/V 反向击穿电压反向击穿电压 死区死区 Ge Si 2.反向特性反向特性 反向饱和电流很反向饱和电流很小小，可视为开路；可视为开路；反向电压过高反向电压过高，电电流急增流急增，二极管发二极管发生击穿生击穿。导通电压导通电压 VD 返回返回 O 二、半导体二极管的主要参数二、半导体二极管的主要参数 1.最大整流电流最大整流电流 IF 二极管允许通过的最大正向平均电流二极管允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压最高反向工作电压 URM 保证二极管不被击穿允许加的最大反向电保证二极管不被击穿允许加的最大反向电压压。3.最大反向饱和电流最大反向饱和电流 IR 室温下室温下，二极管加最高反向电压时的反向二极管加最高反向电压时的反向电流电流，与温度有关与温度有关。返回返回 例例1、如图，当、如图，当E5V时，时，I5mA，则，则 E=10V，I（）A.I10mA B.I 10mA C.I10mA D.不确定不确定 E VD I B 返回返回 O 例例2、如图如图，E5V，二极管正向压降忽略不二极管正向压降忽略不计计，画出画出 uo波形波形。E VD ui uo 10 ui /V t ui E VD导通导通 uo=ui 5 uo t 5 利用二极管的单向导电性可对输出利用二极管的单向导电性可对输出信号起限幅作用。信号起限幅作用。返回返回 O 例例3、如图如图，E6V，二极管正向压降忽略不二极管正向压降忽略不计计，画出画出 uo波形波形。E VD1 ui uo 10 ui /V t 6 E VD2 R 6 ui E，VD1导通，导通，VD2截截止止 uo=E=6V Eui E，VD1、VD2截止截止，uo=ui uo t 解：解：ui 0 12V VD1率先导通，率先导通，UF3V0.3V2.7V VD2截止截止 解：解：返回返回 第三节第三节 特殊二极管特殊二极管 稳压管稳压管 光敏二极管光敏二极管 发光二极管发光二极管 返返 回回 稳压管是一种特殊的二极管稳压管是一种特殊的二极管，具有稳定具有稳定电压的作用电压的作用。稳压管工作于反向击穿稳压管工作于反向击穿区区。特点：电流变化大特点：电流变化大，电电压变化小压变化小。1.稳压原理稳压原理 稳压管：稳压管：1）加正向电压时等同于二极管加正向电压时等同于二极管。2）加反向电压时使其击穿后稳压加反向电压时使其击穿后稳压。I/mA U/V 反向击反向击穿电压穿电压 VS 返回返回 一一、稳压管稳压管 O 1)稳定电压稳定电压UZ 正常工作下正常工作下，稳压管两端电压稳压管两端电压。同一型号的稳压管分散性较大同一型号的稳压管分散性较大。2)稳定电流稳定电流 IZ 正常工作下的参考电流正常工作下的参考电流。大小由限流电阻决定大小由限流电阻决定。3)动态电阻动态电阻rZ rZ=U/I rZ 越小越小，稳压效果越好稳压效果越好。2.稳压管参数稳压管参数 返回返回 4)温度系数温度系数u 温度改变温度改变1，稳压值改变的百分比。，稳压值改变的百分比。其值可正，可负。其值可正，可负。5)最大允许耗散功率最大允许耗散功率PZM 管子不至于产生热损坏时的最大功率损管子不至于产生热损坏时的最大功率损耗值叫做最大耗散功率。稳压管工作时，功耗值叫做最大耗散功率。稳压管工作时，功耗超过耗超过PZM，管子将会因热击穿而损坏。，管子将会因热击穿而损坏。返回返回 返回返回 例例1、如图如图，已知已知UZ=10V，负载电压负载电压UL（）（）（）5 （）（）10 （）（）15 （）（）20 A VS 20V 15k 5k UL 稳压管的工作条件稳压管的工作条件（）必须工作在反向击穿状态必须工作在反向击穿状态。（）电路中应有限流电阻电路中应有限流电阻，以保证反向电流不以保证反向电流不超过允许范围超过允许范围。例例2、已知已知ui=6sint，UZ=3V，画输出波形画输出波形。VS ui uo 6 ui /V t 3 uo t 3 返回返回 O O 例例3、图示电路中图示电路中，稳压管稳压管VS1、VS2的稳压值分的稳压值分别为别为UZ15V，UZ27V，正向压降为正向压降为0.7，若若输入电压输入电压Ui波形如图所示波形如图所示，试画出输出电压波试画出输出电压波形形。R R VS1 VS2 Ui Uo Ui t 6V 12V 2V Ui 经电阻分压经电阻分压 URUi/2 当当UR UR5V，VS1反向导通反向导通，VS2截止截止 ，Uo=UZ1 UR 1 IB 变化很小，与变化很小，与 UCE=1 曲线曲线重合。重合。CE1U 返回返回 O 2输出特性曲线输出特性曲线 BCCE()IIf U 衡衡量量饱和区饱和区 截止区截止区 放大区放大区 截止区截止区 IB0，IC0，UBE0 发射结反偏发射结反偏，集电结反偏集电结反偏。放大区放大区 ICIB 发射结正偏发射结正偏，集电结反偏集电结反偏。饱和区饱和区 UCEUBE ，发射结发射结、集电结正偏集电结正偏。IC/mA UCE/V IB0 IB20A IB40A IB60A IB80A 返回返回 O 2极间反向电流极间反向电流 ICBO：发射极开路：发射极开路，基极与集电极间的反向基极与集电极间的反向饱和电流饱和电流，受温度影响大受温度影响大。ICEO：基极开路：基极开路，集电极与发射极间的穿透集电极与发射极间的穿透电流电流。CBIICEOCBO(1)II 四、晶体管主要参数四、晶体管主要参数 1 放大倍数放大倍数 返回返回 集电极最大电流集电极最大电流ICM IC ICM 集电极集电极发射极反向击穿电压发射极反向击穿电压UCEO 基极开路基极开路，加在集电极和发射极间的最大加在集电极和发射极间的最大允许工作电压允许工作电压。UCE UCEO 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM ICUCE VB VE PNP：VC UB 开启电压开启电压 形成导电沟道形成导电沟道 ID随随UGS的增加而增大的增加而增大 漏极特性曲线漏极特性曲线 可变电可变电阻区阻区 夹断区夹断区 恒流区恒流区 ID/mA UDS/V UGS2V UGS5V UGS6V 场效应管是一种电场效应管是一种电压控制电流的器件压控制电流的器件 O V 返回返回 转移特性曲线转移特性曲线 ID UGS UGS（th）开启电压开启电压 固定一个固定一个UDS，ID和和UGS的关系曲线，称为转的关系曲线，称为转移特性曲线。移特性曲线。2GSDDOGSGS(th)GS(th)1UIIUUUIDO是是UGS(th)/2时的时的ID值值 在一定的漏源电压在一定的漏源电压UDS下，下，使管子由不导通变为导通的临界使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压栅源电压称为开启电压UGS(th）。O 返回返回 二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管 P N+N+G S D G S D B B N型沟道型沟道 耗尽型管子的栅源电压，耗尽型管子的栅源电压，在一定范围内正、负值均可在一定范围内正、负值均可控制漏极电流的大小。控制漏极电流的大小。耗尽型场效应管耗尽型场效应管在制造时导电沟在制造时导电沟道就已形成道就已形成 返回返回 特性曲线特性曲线 ID(mA)UDS(V)UGS0.8V UGS0V UGS0.2V O UGS（off）ID UGS 夹断电压夹断电压 漏极特漏极特性曲线性曲线 转移特转移特性曲线性曲线 当当UGS达到一定负达到一定负值时，值时，N型导电沟道型导电沟道消失，消失，ID=0，称场，称场效应晶体管处于夹效应晶体管处于夹断状态。断状态。O 返回返回 三、三、MOS管的主要参数及使用注意事项管的主要参数及使用注意事项 1直流参数直流参数 开启电压开启电压UGS（th）：在：在UDS为某一固定值时，为某一固定值时，形成形成ID所需要的最小所需要的最小|UGS|值。值。夹断电压夹断电压UGS（off）：在：在UDS为某一固定值时，为某一固定值时，使使ID为某一微小电流（便于测量）所需要的为某一微小电流（便于测量）所需要的UGS值。值。饱和漏电流饱和漏电流IDSS：指在：指在UGS0、UDS10V时，时，使管子出现预夹断时的漏极电流。使管子出现预夹断时的漏极电流。直