电工学半导体器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,海南风光,10.1,半导体的基础知识，,P,型硅，,N,型硅,10.2 PN,结及半导体二极管,10.3,稳压二极管,10.4,三极管,第,10,章 半导体器件,中国矿业大学（北京）信息所,模拟电路：研究输出与输入信号之间的大小、相位、失真等方面的关系。,基本电路元件,：晶体管、场效应管、集成运算放大器。,基本模拟电路,：信号放大及运算（信号放大、功率放大）、信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波）、信号发生（正 弦 波发生器、三角波发生器等）。,研究方法,：建立等效模型，近似计算。,10.1.1,本征半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,Si,硅原子,Ge,锗原子,10.1,半导体的基本知识,硅和锗的共价键结构,共价键共,用电子对,+4,+4,+4,+4,+4,表示除去价电子后的原子,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为,本征半导体,。,本征半导体的导电能力很弱。,杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,N,型半导体,（主要载流子为电子，电子半导体）,P,型半导体,（主要载流子为空穴，空穴半导体）,N,型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,+,N,型硅表示,Si,P,Si,Si,硅或锗,+,少量磷,N,型半导体,空穴,P,型半导体,硼原子,P,型硅表示,Si,Si,Si,B,硅原子,空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动,硅或锗,+,少量硼,P,型半导体,杂质半导体的示意表示法,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,10.2.1 PN,结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造,P,型半导体和,N,型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了,PN,结。,10.2 PN,结及半导体二极管,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,空间电荷区,PN,结处载流子的运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,PN,结处载流子的运动,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,PN,结处载流子的运动,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,10.2.2 PN,结的单向导电性,PN,结,加上正向电压,、,正向偏置,的意思都是：,P,区加正、,N,区加负电压。,PN,结,加上反向电压,、,反向偏置,的意思都是：,P,区加负、,N,区加正电压。,PN,结正向偏置,+,+,+,+,内电场减弱，使扩散加强，,扩散,飘移，正向电流大,空间电荷区变薄,P,N,+,_,正向电流,PN,结反向偏置,+,+,+,+,空间电荷区变厚,N,P,+,_,+,+,+,+,内电场加强，使扩散停止，,有少量飘移，反向电流很小,反向饱和电流,很小，,A,级,10.2.3,半导体二极管,(1),、基本结构,PN,结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,P,N,P,N,符号,阳极,阴极,(2),、伏安特性,U,I,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管,0.2,0.3V,。,反向击穿电压,U,(BR),死区电压 硅管,0.5V,锗管,0,.2V,。,U,I,E,+,-,反向漏电流,（很小，,A,级）,（,3,）静态电阻,Rd,，动态电阻,r,D,U,Q,I,Q,U,S,+,-,R,静态工作点,Q,（,U,Q,，,I,Q,）,（,3,）静态电阻,Rd,，动态电阻,r,D,静态电阻：,Rd=U,Q,/I,Q,（非线性）,动态电阻：,r,D=,U,Q,/,I,Q,在工作点,Q,附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为,微变等效电阻,i,u,I,Q,U,Q,Q,I,Q,U,Q,例,1,：二极管：死区电压,=0.5V,，正向压降,0.7V(,硅二极管,),理想二极管：死区电压,=0,，正向压降,=0,R,L,u,i,u,O,u,i,u,o,t,t,二极管半波整流,例,2,：二极管的应用,(,设,RC,时间常数很小）,R,R,L,u,i,u,R,u,o,t,t,t,u,i,u,R,u,o,C,1.,电路分析,例,1,：,求,V,DD,=10V,时，二极管的 电流,I,D,、电压,V,D,值,。,解,1,：,正向偏置时：,管压降为,0,，电阻也为,0,。,反向偏置时：,电流为,0,，电阻为,。,解,2,：,返回,V,R,V,m,v,i,t,0,V,i,V,R,时，二极管导通，,v,o,=v,i,。,V,i,U,D1,D,2,优先导通，,D,1,截止。,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=0 V,例,4:,电路如左图,D,1,承受反向电压为,6 V,流过,D,2,的电流为,求：,U,AB,在这里，,D,2,起钳位作用，,D,1,起隔离作用。,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,U,AB,+,返回,例,5,：,求,(1).,v,I,=0V,v,I,=4V,v,I,=6V,时，输出,v,0,的,值,。,(2).,V,i,=6sint V,时，输出,v,0,的,波形。,解：,(,1).,v,I,=4V,时，,D,导通。,v,I,=0V,时，,D,截止。,v,0,=,v,I,v,I,=6V,时，,D,导通。,(2).,V,i,=6sint V,（理想模型）,3V,v,i,t,0,6V,返回,例,6,：,理想二极管电路中,v,i,=V m sint V,，求输出波形,v,0,。,V,1,v,i,t,0,V,m,V,2,V,i,V,1,时，,D,1,导通、,D,2,截止，,V,o,=V,1,。,V,i,V,2,时，,D,2,导通、,D,1,截止，,V,o,=V,2,。,V,2,V,i,3.6V,时，二极管导通，,v,o,=,3.6V,。,V,i,I,C,，,U,CE,0.3V,称为饱和区。,此区域中,:I,B,=0,I,C,=I,CEO,U,BE,I,C,。,BE,结正偏，,BC,结正偏，即,U,CE,U,BE,（,U,CE,0.3V,，,U,BE,0.7V,）,(3),截止区,U,BE,死区电压，,I,B,=0,，,I,C,=I,CEO,0,（,I,CEO,穿透电流，很小，,A,级）,例：,=50,，,U,SC,=12V,，,R,B,=70k,，,R,C,=6k,当,U,SB,=-2V,，,2V,，,5V,时，,晶体管的静态工作点,Q,位,于哪个区？,U,SB,=-2V,，,I,B,=0,，,I,C,=,0,，,Q,位于截止区,U,SB,=2V,，,I,B,=(U,SB,-U,BE,)/R,B,=(2-0.7)/70=0.019 mA,I,C,=,I,B,=50,0.019=0.95,mA,I,CS,=2 mA,，,Q,位于饱和区,(,实际上，此时,I,C,和,I,B,已不是的关系）,三极管的技术数据：（自学）,（,1,）电流放大倍数,（,2,）集,-,射间穿透电流,I,CEO,（,3,）集,-,射间反向击穿电压,U,CEO(BR),（,4,）集电极最大电流,I,CM,（,5,）集电极最大允许功耗,P,CM,