電路與電子技術-第4章--半導體器件基礎1演示文檔
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.,第二篇 模擬電子技術,.,第4章 常用半導體器件,4.1 半導體基礎知識 4.2 半導體二極管 4.3 晶體三極管 4.4 場效應管 (了解) 4.5 晶閘管(不講),.,本章內容提要重點:(1)二極管的單向導電性;(2)三極管的三種工作狀態(tài);難點:(1)整流電路的特點及應用;(2)放大器的靜態(tài)分析及動態(tài)分析;(3)晶體管三種組態(tài)放大電路比較。,.,4.1 半導體基礎知識,4.1.1 本征半導體,1、半導體,導體:導電能力好的物質。如銅、鋁等,半導體:是一種導電能力介于導體和絕緣體之間的物質.如硅、鍺、硒、砷化鎵及一些硫化物和氧化物。, 半導體的物理特性,光敏性,熱敏性,慘雜性,絕緣體:導電能力差的物質。如陶瓷干木,.,溫度升高時,純凈的半導體的導電能力顯著增加;,光敏性:,熱敏性:,慘雜性:,半導體為什么具有以上的導電性質?,在純凈半導體材料中加入微量的“雜質”元素,它的電導率就會成千上萬倍地增長;,純凈的半導體受到光照時,導電能力明顯提高。,與半導體的結構有關,.,半導體的晶體結構,原子的組成:,4個價電子,硅(Si):四價元素,硅的原子序數(shù)是14,外層有4個電子。,若干個圍繞原子核運動的帶負電的電子,且整個原子呈電中性。,半導體器件的材料:,鍺(Ge):也是四價元素,鍺的原子序數(shù)是32,外層也是4個電子。,.,為什么本征半導體具有一定的導電能力?,完全純凈的具有晶體結構的半導體稱為本征半導體 。它具有共價鍵結構。,鍺和硅的原子結構,單晶硅中的共價鍵結構,共價鍵,硅原子,2 本征半導體的的原理,.,在半導體中,同時存在著電子導電和空穴導電??昭ê妥杂呻娮佣挤Q為載流子。它們成對出現(xiàn),成對消失。,在常溫下自由電子和空穴的形成,復合,自由電子,本征激發(fā),由于熱運動,具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子,自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置,稱為空穴,.,1. N型半導體,原理圖,P,自由電子,結構圖,磷原子,正離子,P+,在硅或鍺中摻入少量的五價元素,如磷或砷、銻,則形成N型半導體。,多余價電子,在N型半導體模型:不能移動的正離子,可移動的多子電子和少子空穴。,4.1.2 雜質半導體,在本征半導體中加入微量的五價(三價)元素,可使半導體中自由電子(空穴)濃度大為增加,形成雜質半導體。,.,2、P型半導體,在硅或鍺中摻入三價元素,如硼或鋁、鎵,則形成P型半導體。,原理圖,B,B-,硼原子,負離子,空穴,填補空位,結構圖,在P型半導體中,空穴是多子,電子是少子。,P型半導體模型:不能移動的負離子,可移動的多子空穴和少子電子,.,用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上,形成P型半導體區(qū)域和N型半導體區(qū)域,在這兩個區(qū)域的交界處就形成一個PN結 。,P 區(qū),N 區(qū),P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散并與電子復合,N區(qū)的電子向P區(qū)擴散并與空穴復合,空間電荷區(qū),內電場方向,4.1.3PN結,空穴,1、PN結的形成,電子,.,空間電荷區(qū),內電場方向,在一定條件下,多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡。,P區(qū),N區(qū),多子擴散,少子漂移,空穴,電子,多子為空穴,多子為電子,.,在一定條件下,多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡,空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定。形成了PN結空間電荷區(qū)阻擋層耗盡層內電場,內電場阻擋多子的擴散運動,加強了少子的漂移運動。,結 論 :,在PN結中同時存在多子的擴散運動和少子的漂移運動。,多子擴散,.,因濃度差,內電場促使少子漂移,內電場阻止多子擴散,總之PN結的形成過程,漂移運動: 由內電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。,擴散運動:由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。,.,2. PN結的單向導電性,P區(qū),N區(qū),內電場,外電場,E,I,空間電荷區(qū)變窄,P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)和一部分負離子中和,N區(qū)電子進入空間電荷 區(qū)和一部分正離子中和,擴散運動增強,形成較大的正向電流。,1、外加正向電壓(P接正,N接負),.,外電場驅使空間電荷區(qū)變寬,有利于兩側的少子的漂移運動,阻礙多子的擴散運動,空間電荷區(qū)變寬,內電場,外電場,少子越過PN結形成很小的反向飽和電流IS,IR,E,2、外加反向電壓(P接負,N接正),N區(qū),P區(qū),.,由上述分析可知:,PN結具有單向導電性,即在PN結上加正向電壓(P接正,N接負)時,空間電荷區(qū)變窄,PN結電阻很低,正向電流較大,PN結處于導通狀態(tài);,加反向電壓(P接負,N接正)時,空間電荷區(qū)變寬,PN結電阻很高,少子飄移形成反向電流,為反向飽和電流(因為少子的數(shù)量是一定的),PN結處于截止狀態(tài),切記,.,3 PN結的伏安特性,定量描繪PN結兩端電壓和流過結的電流的關系的曲線PN結的伏安特性。 根據(jù)理論分析,PN結的伏安特性方程為,外加電壓,流過PN結的電流,電子電荷量q =1.610-19C,反向飽和電流,絕對溫度(K),玻耳茲曼常數(shù)k =1.3810-23J/K,自然對數(shù)的底,.,令,在常溫下,T = 300K,,則,當U大于UT時,即正向電流隨正向電壓的增加以指數(shù)規(guī)律迅速增大。,外加反向電壓時,U為負值,當|U|比UT大幾倍時,,IIS,即加反向電壓時,PN結只流過很小的反向飽和電流。,.,曲線OD段表示PN結正向偏置時,的伏安特性,稱為正向特性;,畫出PN結的理論伏安特性曲線,用UD(on)表示導通電壓或死區(qū)電壓。,反向硅管的電流一般小于0.1A,鍺管的一般小于幾十微安。,曲線OB段表示PN結反向偏置時的伏安特性,稱為反向特性。,室溫下,硅管的UD(on) =(0.50.6)V,鍺管的 UD(on) =(0.10.2)V。,.,4 PN結的反向擊穿,加大PN結的反向電壓到某一值時,反向電流突然劇增,這種現(xiàn)象稱為PN結擊穿,發(fā)生擊穿所需的電壓稱為擊穿電壓UBR ,如圖所示,圖 PN結反向擊穿,熱擊穿不可逆,反向擊穿的特點:反向電壓增加很小,反向電流卻急劇增加,., 雪崩擊穿, 齊納擊穿,齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結中。,一般來說,對硅材料的PN結,UBR7V時為雪崩擊穿; UBR VT時,VT稱為死區(qū)電壓。硅管: VT0.5V,鍺管:VT0.1V。導通時的正向壓降硅管:0.6 0.7V,鍺管:0.2 0.3V。,正向特性,1. 正向特性,2. 反向特性,當u0時,i= Is(反向飽和電流)電流很小,幾乎為零。,二極管伏安特性,.,當反向電壓增大至U(BR)時,反向電流將突然增大。這種現(xiàn)象稱為擊穿,二極管失去單向導電性。,3.反向擊穿特性,反向特性,.,溫度對二極管伏安特性的影響,T()在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS,U(BR) T()正向特性左移,反向特性下移,正向特性為指數(shù)曲線,反向特性為橫軸的平行線,增大1倍/10,.,1、二極管的主要參數(shù),4.2.3 二極管的主要參數(shù),1)直流電阻RD:二極管兩端所加直流電壓UD與流過它的直流電流ID之比,即,RD不是恒定值,正向的RD隨工作電流增大而減小,反向的RD隨反向電壓增大而增大。,顯然,圖中Q1點處的RD小于Q2點處的RD 。,.,2)交流電阻rD rD定義為:二極管在其工作狀態(tài)(IDQ,UDQ)處的電壓微變量與電流微變量之比,即,rD的幾何意義見左圖 ,即二極管伏安特性曲線上Q(IDQ,UDQ)點處切線斜率的倒數(shù)。,rD可以通過對式 求導得出,即,二極管交流電阻rD的幾何意義,室溫條件下(T=300K):,.,4)最高反向工作電壓 UDRM 它是保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓,一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。,3)最大整流電流 IFM 最大整流電流是指二極管長時間使用時,允許流過二極管的最大正向平均電流。,5)最大反向電流 IRM 它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。,6)最高工作頻率fM fM是與結電容有關的參數(shù)。工作頻率超過fM時,二極管的單向導電性能變壞。,.,4.2.4 其他類型二極管,穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導 體硅二極管。 穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。,1. 穩(wěn)壓管,穩(wěn)壓管在電路中為什么能起穩(wěn)壓作用?,穩(wěn)壓管反向擊穿后,電流在很大范圍內變化,兩端的電壓變化很小。利用這一特性,,穩(wěn)壓管的符號,.,1、穩(wěn)壓管的主要參數(shù):,1) 穩(wěn)定電壓UZ,4)穩(wěn)定電流 IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。,3)動態(tài)電阻 rZ,2)電壓溫度系數(shù) U (%/):穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。,5)最大允許耗散功率 PZM,.,2、穩(wěn)壓二極管工作原理,輸出電壓穩(wěn)定的條件,UI不穩(wěn)定,RL改變,.,電阻的作用:,穩(wěn)壓二極管在工作時應反接,并串入一只電阻。,起限流作用,以保護穩(wěn)壓管,當輸入電壓或負載電流變化時,通過該電阻上電壓降的變化,從而起到穩(wěn)壓作用。,正常穩(wěn)壓時 UO =UZ,穩(wěn)壓條件是什么?,IZmin IZ IZmax,不加R可以嗎?,當Ui為正弦波,且幅值大于UZ , UO的波形是怎樣的?,.,例 在圖所示電路中,已知輸入電壓Ui = 12 V,穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ = 6 V,穩(wěn)定電流IZ = 5mA,額定功耗PZM = 90 mW,試問輸出電壓Uo能否等于6 V。,即 5mA IDZ 15 mA,IDZ不在5mA15 mA的范圍內,因此不能正常穩(wěn)壓,Uo將小于UZ。若要電路能夠穩(wěn)壓,則應減小R的阻值。,解 穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓時,其工作電流IDZ應滿足IZIDZIZmax,而,設電路中DZ能正常穩(wěn)壓,則Uo= UZ = 6V。由圖中可求出:,.,2.發(fā)光二極管,當電流流過時,發(fā)光二極管將發(fā)出光來,光的顏色由二極管材料(如砷化鎵、磷化鎵)決定。,發(fā)光二極管的符號,發(fā)光二極管通常用作顯示器件,工作電流一般在幾mA至幾十mA之間。,另一重要作用:將電信號變?yōu)楣庑盘枺ㄟ^光纜傳輸,然后用光電二極管接收,再現(xiàn)電信號。,.,3.光電二極管,(a)光電二極管的符號,(b)光電二極管的等效電路,光電二極管可將光信號轉變?yōu)殡娦盘?。其特點是它的反向電流與照度成正比。,.,原理:利用PN結的勢壘電容隨外加反向電壓變化的特性可制成變容二極管。變容二極管工作在反偏狀態(tài)下,此時,PN結結電容的數(shù)值隨外加電壓的大小而變化。因此,變容二極管可做可變電容使用。,4. 變容二極管,變容二極管在高頻電路中廣泛應用于自動調諧、調頻、調相等。,圖所示為變容二極管的電路符號。,.,利用二極管的單向導電特性,可實現(xiàn)整流、限幅及電平選擇等功能。,1、二極管整流電路,把交流電變?yōu)橹绷麟姡Q為整流。,若二極管為理想二極管,當輸入一正弦波時,由圖可知:正半周時,二極管導通(相當開關閉合),uo=ui;,負半周時,二極管截止(相當開關打開), uo =0。其輸入、輸出波形見下圖,(1)單相半波整流電路,(a)單相半波整流電路原理,4.2.5 二極管應用電路舉例,.,圖 單相半波整流電路,.,(b). 直流電壓UO和直流電流IO的計算,半波整流后的輸出電壓:,在半波整流情況下,設:,.,此式說明, 在半波整流情況下, 負載上所得的直流電壓只有變壓器次級繞組電壓有效值的45%。,如考慮二極管的正向電阻和變壓器等效電阻上的壓降, 則UO數(shù)值還要低。,在半波整流電路中, 二極管的電流等于輸出電流:,二極管的最大整流電流IFID,二極管的最大反向工作電壓 。,.,(2). 單相全波整流電路,(a). 電路與工作原理,為提高電源的利用率, 可將兩個半波整流電路合起來組成一個全波整流電路, 如圖(a)所示。二極管VD1、VD2在正、負半周輪流導電, 且流過負載RL的電流為同一方向, 故在正、負半周, 負載上均有輸出電壓。,圖(a),.,圖(a),全波整流電路波形圖,.,(b). 直流電壓UO和直流電流IO的計算,由輸出波形可看出, 全波整流輸出波形是半波整流時的兩倍, 所以輸出直流電壓也為半波時的兩倍, 即,圖(a),.,管子通過的電流為,全波整流電路每管承受的反向峰值電壓URM為u2的峰值電壓的兩倍,即,因為無論正半周還是負半周, 均是一管截止, 而另一管導通, 故變壓器次級兩個繞組的電壓全部加至截止二極管的兩端。 選管時應滿足,圖(a),二極管的最高電流,.,(3)、 單相橋式整流,橋式整流電路,(a). 電路與工作原理,.,工作原理u2的正半周:AD1RLD3B,uO=u2u2的負半周:BD2RLD4A,uO=-u2集成的橋式整流電路稱為整流橋堆。,四只管子如何接?,若接反了呢?,電路的組成,.,橋式整流電路波形圖,.,(b). 直流電壓UO和直流電流IO的計算,- 配套講稿:
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