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常用半导体器件概要介绍
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常用半导体器件概要介绍 非纯理论性课程实践性很强,定量计算多以工程的观点来处理电路中的一些问题,抓主要矛盾,忽略次要矛盾,采用工程近似的方法简化实际问题,允许有一定的误差(±10%工程误差)是一门电气类专业基础课,为后续课程打基础。特点:性质: 基本放大电路差分放大电路集成运算放大电路负反馈放大电路功率放大电路器件:放大电路:二极管三极管本课程的主要内容: 本课程的任务1、掌握各种功能电路的组成原理及其性能特点,能够对一般性的、常用的电子电路进行分析,同时对简单的单元电路进行设计。2、掌握电子技术的基本理论、基本知识、基本技能,为后续课程打好基础。 建立新概念。确立新的分析方法。重点在于课堂听讲。注重实验环节,先理论分析,后实践,然后再对实验的结果进行探讨。认真复习、练习。本课程的学习方法 4集成运算放大电路2基本放大电路1常用半导体器件3多级放大电路5放大电路的频率响应6放大电路中的反馈7信号的运算与处理电路8波形的发生和信号的转换9功率放大电路10直流稳压电源 第一章半导体器件基础1.1半导体基本知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管1.5单结晶体管和晶闸管 1.1半导体的基本知识在物理学中。根据材料的导电能力,可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge,它们都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c) 本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时,所有的价电子都紧紧束缚在共价键中,不会成为自由电子,因此本征半导体的导电能力接近绝缘体。一.本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为“九个9”。物理结构呈单晶体形态。 这一现象称为本征激发,也称热激发。当温度升高或受到光的照射时,束缚电子能量增高,有的电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,称为空穴。空穴动画演示1 电子空穴对的特点:(1)由本征激发成对产生由复合运动成对消失。(2)数量受温度影响。(3)动态平衡时,浓度一定与本征激发相反的现象——复合常温300K时:电子空穴对的浓度硅:锗:自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对 自由电子:带负电荷-逆电场运动-电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E+-+总电流载流子空穴:带正电荷-顺电场运动-空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量:温度变化,导电性变化;光照变化,导电性变化。导电机制:动画演示2 多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对二.杂质半导体在本征半导体中掺入微量特定元素的半导体称为杂质半导体。1.N型半导体(掺入五价杂质元素,例如磷,砷等) 在本征半导体中掺入三价杂质元素,如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子------------P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.P型半导体 杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴------------P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——本征激发产生,与温度有关多子浓度——掺杂产生,与温度无关 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响,一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm332掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3 内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区阻止多子扩散,促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层三.PN结及其单向导电性1.PN结的形成 动画演示3少子漂移补充耗尽层失去的多子,耗尽层窄,E多子扩散又失去多子,耗尽层宽,E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡:扩散电流=漂移电流总电流=0势垒UO硅0.5V锗0.1V 2.PN结的单向导电性(1)加正向电压(正偏)——电源正极接P区,负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动>漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流动画演示4 (2)加反向电压——电源正极接N区,负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动>扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN在一定的温度下,由本征激发产生的少子浓度是一定的,故IR基本上与外加反压的大小无关,所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。动画演示5 PN结加正向电压时,具有较大的正向扩散电流,呈现低电阻,PN结导通;PN结加反向电压时,具有很小的反向漂移电流,呈现高电阻,PN结截止。由此可以得出结论:PN结具有单向导电性。 3.PN结的伏安特性曲线及表达式根据理论推导,PN结的伏安特性曲线如图正偏IF(多子扩散)IR(少子漂移)反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿 ※PN结的反向击穿分类:电击穿——可逆热击穿——烧坏PN结击穿机理:击穿效果: 根据理论分析:u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10-23q为电子电荷量1.6×10-9T为热力学温度对于室温(相当T=300K)则有UT=26mV。当u>0u>>UT时当u<0|u|>>|UT|时 4.PN结的电容效应当外加电压发生变化时,耗尽层的宽度要相应地随之改变,即PN结中存储的电荷量要随之变化,就像电容充放电一样。(1)势垒电容CB (2)扩散电容CD当外加正向电压不同时,PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同,这就相当电容的充放电过程。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容(结电容) 1.2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线NP结构:符号:阳极+阴极- 分类:(1)点接触型二极管PN结面积小,结电容小,用于检波和变频等高频电路。 (3)平面型二极管用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大,用于低频大电流整流电路。 半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型,P为普通管,Z为整流管,K为开关管。代表器件的材料,A为N型Ge,B为P型Ge,C为N型Si,D为P型Si。2代表二极管,3代表三极管。 一、半导体二极管的V—A特性曲线硅:0.5V锗:0.1V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压击穿电压UBR实验曲线:uEiVmAuEiVuA锗硅:0.7V锗:0.3V 二、二极管的模型及近似分析计算例:IR10VE1kΩD—非线性器件iuRLC—线性器件 二极管的模型DU串联电压源模型UD二极管的导通压降。硅管0.7V;锗管0.3V。理想二极管模型正偏反偏导通压降二极管的V—A特性 二极管的近似分析计算:IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例:串联电压源模型测量值9.32mA相对误差理想二极管模型RI10VE1kΩ相对误差0.7V 例:二极管构成的限幅电路如图所示,R=1kΩ,UREF=2V,输入信号为ui。(1)若ui为4V的直流信号,分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo解:(1)采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。 (2)如果ui为幅度±4V的交流三角波,波形如图(b)所示,分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。解:①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot 02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二极管串联电压源模型分析,波形如图所示。 三、二极管的主要参数(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时,允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR———二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。(3)反向电流IR——在室温下,在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级;锗二极管在微安(A)级。 当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压四、稳压二极管稳压管是工作在反向击穿区的特殊二极管(面结型、硅、高掺杂)正向同二极管反偏电压≥UZ反向击穿+UZ-限流电阻 稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ——(2)动态电阻rZ——在规定的稳压管反向工作电流IZ下,所对应的反向工作电压。rZ=U/IrZ愈小,反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作电流IZmin——保证稳压管击穿所对应的电流,若IZ<IZmin则不能稳压。(4)最大稳定工作电流IZmax——超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。 特殊二极管:1、变容二极管:利用其结电容效应,其电容量与本身结构、工艺、外加反向电压有关,随外加反向电压增大而减少。C:5-300pF,Cmax:Cmin=5:1高频技术(调谐、调制等)应用较多2、光电二极管:需光照、反偏压、其反向电流与光照度成正比。用于光测量,将光信号--电信号,光电传感器、遥控、报警电路中。3、发光二极管:正偏压(1-2.5V),发光颜色与所用材料有关。常作为显示器件、电光转换器件与光电二极管合用于光电传输系统。4、激光二极管:产生相干的单色光信号(红外线),利于光缆有效传输。用于小功率的光电设备,如光驱、激光打印头。 1.3双极型三极管半导体双极型三极管,俗称晶体三极管。由于工作时,多数载流子和少数载流子都参与运行,因此,被称为双极型晶体管(BipolarJunctionTransistor,简称BJT)。BJT是由两个PN结组成的。 一.BJT的结构NPN型PNP型符号:三极管的结构特点:(1)发射区的掺杂浓度>>集电区掺杂浓度。(2)基区要制造得很薄且浓度很低。--NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极--PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极---ecb---ecb 二.BJT的内部工作原理(NPN管)若在放大工作态:发射结正偏:+UCE-+UBE-+UCB-集电结反偏:由VBB保证由VCC、VBB保证UCB=UCE-UBE>0共发射极接法c区b区e区三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。 1.BJT内部的载流子传输过程(1)因为发射结正偏,所以发射区向基区注入电子,形成了扩散电流IEN。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动,形成的电流为IEP。但其数量小,可忽略。所以发射极电流IE≈IEN。(2)发射区的电子注入基区后,变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉,形成IBN。所以基极电流IB≈IBN。大部分到达了集电区的边缘。 另外,集电结区的少子形成漂移电流ICBO。(3)因为集电结反偏,收集扩散到集电区边缘的电子,形成电流ICN。 2.电流分配关系IE=IC+IB定义:(1)IC与IE之间的关系:所以:其值的大小约为0.9~0.99。三个电极上的电流关系: (2)IC与IB之间的关系:联立以下两式:得:所以:得:令: (1)uCE=0V时,相当于两个PN结并联。三.BJT的特性曲线(共发射极接法)(1)输入特性曲线iB=f(uBE)uCE=const(3)uCE≥1V再增加时,曲线右移很不明显。(2)当uCE=1V时,集电结已进入反偏状态,开始收集电子,所以基区复合减少,在同一uBE电压下,iB减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压硅0.5V锗0.1V导通压降硅0.7V锗0.2V (2)输出特性曲线iC=f(uCE)iB=const(1)当uCE=0V时,因集电极无收集作用,iC=0。(2)uCE↑→Ic↑。(3)当uCE>1V后,收集电子的能力足够强。这时,发射到基区的电子都被集电极收集,形成iC。所以uCE再增加,iC基本保持不变。同理,可作出iB=其他值的曲线。现以iB=60uA一条加以说明。 饱和区——iC受uCE显著控制的区域,该区域内uCE<0.7V。此时发射结正偏,集电结也正偏。截止区——iC接近零的区域,相当iB=0的曲线的下方。此时,发射结反偏,集电结反偏。放大区——曲线基本平行等距。此时,发射结正偏,集电结反偏。该区中有:饱和区放大区截止区输出特性曲线可以分为三个区域: 四.BJT的主要参数(2)共基极电流放大系数:iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之间2.31.5(1)共发射极电流放大系数:1.电流放大系数 (2)集电极发射极间的穿透电流ICEO基极开路时,集电极到发射极间的电流——穿透电流。其大小与温度有关。(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时,在其集电结上加反向电压,得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管:ICBO为微安数量级,硅管:ICBO为纳安数量级。++ICBOecbICEO2.极间反向电流 3.极限参数(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗,PC=ICUCEPCM
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