电工电子半导体器件PPT演示课件.ppt

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.,1,第5章半导体器件,5.2半导体二极管,5.3硅稳压二极管,5.4半导体三极管,5.5绝缘栅型场效应管,5.1半导体的基础知识,5.6电力半导体器件,.,2,在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。

纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

它是共价键结构。

本征半导体的共价键结构,5.1.1本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,5.1半导体的基础知识,.,3,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,.,4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。

故半导体中有电子和空穴两种载流子。

在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。

价电子填补空穴,.,5,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,5.1.2杂质半导体,1.N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷，则形成N型半导体。

多余价电子,.,6,虽然在半导体中掺入杂质的数量极微，但对半导体的导电性能却有很大的影响。

例如，在一立方厘米硅晶体中约有5.11022个硅原子，室温下本征激发所产生的电子，空穴对约为1.431010对。

如果掺入十亿分之一的磷，即在一立方厘米硅晶体中掺入,5.11022109=5.11013,个磷原子，就可以提供5.11013个自由电子，与原来由本征激发所产生的的自由电子的数量相比，增加了3566倍，与原来由本征激发所产生的两种载流子的总数相比，增加了1783倍，因而导电能力大大增强。

另一方面，由于自由电子的增多，增加了空穴与自由电子复合的机会，原来由本征激发产生的少量空穴又进一步减少，所以，在掺入五价元素的杂质半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

.,7,N型半导体结构示意图,在N型半导体中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。

此图中只画出了掺入的五价元素形成的正离子、多数载流子和少数载流子。

未画出硅原子。

.,8,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,2.P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素，如硼，则形成P型半导体。

+4,.,9,P型半导体结构示意图,P型半导体结构示意图,此图中只画出了掺入的三价元素形成的负离子、多数载流子和少数载流子。

亦未画出硅原子。

.,10,P区,N区,5.1.3PN结及其单向导电性,1.PN结的形成,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。

.,11,多子扩散,少子漂移,内电场方向,空间电荷区,P区,N区,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。

.,12,内电场方向,R,2.PN结的单向导电性,P区,N区,外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,多子扩散运动增强，形成较大的正向电流,

（1）外加正向电压,.,13,P区,N区,内电场方向,R,

（2）外加反向电压,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,.,14,1、PN结加正向电压：

PN结所处的状态称为正向导通，其特点：

PN结正向电流大，PN结电阻小。

相当于开关闭合,PN结的单向导电性：

2、PN结加反向电压：

PN结所处的状态称为反向截止，其特点：

PN结反向电流小，PN结电阻大。

相当于开关打开,.,15,正极引线,含三价元素的金属触丝,N型锗,支架,外壳,负极引线,点接触型二极管,5.2.1二极管的结构和符号,5.2半导体二极管,PN结,.,16,5.2.2二极管的伏安特性,二极管和PN结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。

正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。

通常，硅管的死区电压约为0.5V,锗管约为0.1V。

导通时的正向压降，硅管约为0.6V0.7V,锗管约为0.20.3V。

60,40,20,0.02,0.04,0,0.4,0.8,25,50,I/mA,U/V,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,.,17,在二极管上加反向电压时,反向电流很小。

但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。

这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。

产生击穿时的电压称为反向击穿电压URBR,5.2.2二极管的伏安特性,.,18,二极管的近似伏安特性和理想伏安特性,（a）当电源电压与二极管导通时的正向电压降相差不多时，正向电压降不可忽略，可采用近似伏安特性,（b）当电源电压远大于二极管导通时的正向电压降时，则可将二极管看成理想二极管，可采用理想伏安特性,.,19,对于理想二极管,正向特性：

二极管加正向电压,.,20,对于理想二极管,反向特性：

二极管加反向电压,.,21,5.2.3二极管的主要参数,最大整流电流IOM最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。

最高反向工作电压UDRM它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。

反向电流IR它是指二极管加上给定反向偏置电压时的反向电流值。

IR越小，二极管的单向导电性越好。

.,22,二极管的应用范围很广,它可用作钳位、限幅、整流、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。

例1：

下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。

解：

DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。

5.2.4二极管的主要应用,.,23,解:

（1）VA=VB=VC=3V,VY=3.3V.,二极管与门电路,A,B,C,DA,DB,DC,VY=3.3V,Y,DA、DB、DC都导通,例2：

下图中，DA、DB和DC均为锗管，求下列两种情况下输出端Y的电位并说明二极管的作用。

（1）VA=VB=VC=3V;

（2）VA=0V,VB=VC=3V.,.,24,二极管与门电路,A,B,C,DA,DB,DC,

（2）VA=0V,VB=VC=3V则DA抢先导通,VY=0.3V,VY=0.3V,Y,DB、DC截止,DA导通后，DB和DC因反偏而截止，起隔离作用；DA起钳位作用，将Y端的电位钳制在+0.3V。

例2：

下图中，DA、DB和DC均为锗管，求下列两种情况下输出端Y的电位并说明二极管的作用。

（1）VA=VB=VC=3V;

（2）VA=0V,VB=VC=3V.,解:

.,25,例1：

下图是二极管单向限幅电路，D为理想二极管，ui=6sintV,E=3V,试画出uo波形。

t,t,ui/V,uo/V,6,0,0,2,解：

（1）当ui3V时，D反向偏置，D截止。

uo=ui,

（2）当ui3V时，D正向偏置，D导通。

uo=E=3V,uR/V,.,26,t,ui/V,6,0,2,t,uo/V,0,例2：

下图是二极管双向限幅电路，D为理想二极管，ui=6sintV,E1=E2=3V,试画出uo波形。

（2）当3Vui3V时，D1，D2均截止。

uo=ui,解：

（1）当ui3V时，D1导通，D2截止。

uo=E1=3V,（3）当ui3V时，D1截止，D2导通。

uo=E2=3V,.,27,uo,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,uo,u2,u2,u1,uD,io,io,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,uD,D,2.二极管整流,将交流电变成直流电称为整流。

（1）单相半波整流电路,.,28,uO,t,0,t,t,t,2,3,uO,u2,u2,u1,uD,uD,iO,iO,D,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,=0.45U2,电路计算,0,0,0,uO的电压平均值：

负载的电流平均值：

2,二极管承受的最高反向电压：

.,29,

（2）单相桥式整流电路,整流电路中最常用的是单相桥式整流电路它由四个二极管D1D4接成电桥的形式构成。

.,30,u2,Tr,u1,RL,D1,D4,D3,D2,uo,io,+,+,+,t,o,t,o,t,o,2,3,uo,uD,io,2,3,Im,2,3,u2,D1和D3导通（相当于短路）,D2和D4截止（相当于开路）,u2正半周a点电位最高，b点电位最低。

D2和D4导通（相当于短路）,D1和D3截止（相当于开路）,u2负半周a点电位最低，b点电位最高。

（2）整流工作原理,uD1,+,uD2,+,a,b,c,d,.,31,RL,io,工作原理：

在u的正半周，D1和D3导通，D2和D4截止（相当于开路）。

电流的通路如图中红色箭头所示。

D4,D3,D2,D1,+u,+uo,.,32,RL,D4,D3,D2,io,D1,在u的负半周，D2和D4导通，D1和D3截止（相当于开路），电流的通路如图中绿色箭头所示。

+u,+uo,在一个周期内，通过电阻的电流方向相同，在负载上得到的是全波整流电压uo。

.,33,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,2,3,Im,2,2,3,3,uD1,uD3,uD4,uD2,uO,u,uD,iO,由于二极管的正向压降很小，因此可认为uO的波形和u的正半波是相同的。

输出电压的平均值为,式中U是变压器副方交流电压u的有效值。

截止的二极管所承受的最高反向电压为,电压、电流的计算,.,34,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,uo,uD,io,2,3,Im,2,2,3,3,u2,uD1,uD3,uD4,uD2,电压、电流的计算,（a）负载直流电压（直流电压平均值）,（b）负载直流电流,（c）二极管平均电流,（d）二极管反向电压最大值,.,35,下图是单相桥式整流电路的简化画法,例已知负载电阻RL=80,负载电压UO=110V。

今采用单相桥式整流电路。

（1）求负载平均电流，每个二极管通过的平均电流;

（2）求变压器二次绕组电压的有效值。

解

（1）负载电流,每个二极管通过的平均电流,

（2）变压器副边电压的有效值,.,36,估算公式:

UO=1.0U2,u2,滤波后输出电压uo的波形变得平缓,平均值提高。

uO,

（1）电容滤波,3.滤波电路,二极管导通时给电容充电,二极管截止时电容向负载放电,.,37,电容充电,电容放电,二极管导通时给电容充电,二极管截止时电容向负载放电,

（1）电容滤波器（C滤波器）,电容滤波器的组成和工作原理,RL,D1,D4,D3,D2,io,滤波后输出电压uo的波形变得平缓,平均值提高。

3.滤波电路,+uo=uc,+u,.,38,

（2）工作波形,u,T,u1,RL,D1,D4,D3,D2,uo,io,uc,t,o,uo,t1,t4,t3,t2,UO1.2U,有电容滤波的整流电路,

（1）电路组成,为了获得好的滤波效果,一般取,空载时,RL,Uo最大,式中T是u的周期。

在有载时，,.,39,t,uO,UO=1.2U2,0,uo,RL,C,+,uC,u2,u1,+,+,+,io,放电时间常数=RLC越大,脉动越小,输出电压平均值越高,一般要求,全波整流电容滤波电路,.,40,例有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电源频率f=50Hz,负载电阻RL=200,要求直流输出电压UO=30V,选择整流二极管及滤波电容器。

解

（1）选择整流二极管。

流过二极管的电流为,取UO=1.2U,所以变压器副边电压的有效值为,二极管所承受的最高反向电压为,因此通过查表可选用2CZ52B型二极管，其最大整流电流为100mA，反向工作峰值电压为50V。

（2）选择滤波电容器,选用C=250F，耐压为50V的极性电容器,.,41,

（2）电感滤波,电感滤波电路,uo,RL,L,u2,u1,+,+,+,io,由于电感的感抗XLL，对直流分量XL0，电感视为短路。

对于交流分量频率越高，XL越大，因此直流分量通过电感线圈全部输出到负载上，而交流分量在电感线圈上产生较大压降，而被滤掉，使负载上得到较平缓的输出电压，电感L越大，滤波效果越好。

若忽略电感线圈电阻，输出电压为Uo0.9U2,.,42,RL,+u,电感电容滤波器（LC滤波器）,当通过电感线圈的电流发生变化时,线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化,因而使负载电流和负载电压的脉动大为减小。

频率越高，电感越大，滤波效果越好，而后又经过电容滤波，使输出电压更为平直。

.,43,T,uo,u2,RL,io,u1,型滤波器,（a）CLC滤波器,（b）CRC滤波器,T,uo,u2,RL,io,u1,.,44,5.3硅稳压二极管,稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。

其表示符号如下图所示。

稳压管工作于反向击穿区。

从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。

当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。

此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。

利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。

.,45,1.稳定电压UZUZ是稳压管反向击穿后，稳压管两端的稳压值。

不同型号的稳压管具有不同的稳压值，同一型号稳压管的稳压值也略有差别。

5.3.2稳压二极管的主要参数,4.动态电阻rZrZ是稳压管在工作区电压变化量UZ与电流变化量IZ的比值，即：

2.最小稳定电流IZminIZmin是保证稳压管具有正常稳压性能的最小工作电流，当稳压管的反向电流小于IZmin时，稳压管尚未击穿，稳出电压不稳定。

3.最大稳定电流IZmaxIZmax是稳压管允许流过的最大工作电流。

动态电阻越小，反向伏安特性曲线越陡，稳压性能越好。

.,46,T,Uo,u2,RL,Io,C,u1,UI,注意：

（1）在稳压电路中，稳压管通常为反接；

（2）使用稳压管时必须串联限流电阻R。

UI=（23）Uo，IZmax23Iomax,5.3.3稳压二极管稳压电路,选择稳压管时一般取UZ=Uo，,.,47,5.3.3稳压二极管稳压电路,引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化,下面分析在这两种情况下的稳压作用。

（1）当交流电源电压增加而使整流输出电压Ui随着增加时，负载电压Uo也要增加。

Uo即为稳压管两端的反向电压。

当负载电压Uo稍有增加时，稳压管的电流IZ就显著增加，因此限流电阻R上的压降增加，以抵偿Ui的增加，从而使Uo保持近似不变。

Uo,RL不变：

u2,Ui,Uo,IZ,IR,UR,限流电阻,u2,u1,稳压过程：

.,48,u2不变：

RL,IR,UO,UR,IZ,Uo,UR,IR,IO,

（2）当电源电压保持不变，而负载电流增大时，电阻R上的压降增大，负载电压Uo因而下降。

只要Uo下降一点，稳压管电流IZ就显著减小，使通过电阻R的电流和电阻上的压降保持近似不变，因此负载电压Uo也就近似稳定不变。

稳压过程：

.,49,例稳压管稳压电路，负载电阻由开路变到500，要求输出电压Uo6V，试求Ui，U2，UZ、IZmax。

IZmax=（23）Iomax=（23）12=2436mA,UZ=Uo=6V,解Ui（23）Uo（23）61218V,.,50,直流稳压电源的组成,滤波电路,整流电路,稳压电路,负载,变压器,交流电源,各部分电路输出波形,将电源的交流电变成直流电压或电流,功能,.,51,例题现有两个稳压管DZ1和DZ2，其稳定电压分别是4.5V和9.5V，正向电压降都是0.5V，试求下图各电路中的输出电压UO。

解：

（a）稳压管DZ1和DZ2起稳压作用UO=UZ1+UZ2=4.5V+9.5V=14V,（b）稳压管DZ1和DZ2不起稳压作用，只相当于普通二极管，工作在反向特性区，反向截止，则UO=UI=10V,（c）稳压管DZ1和DZ2相当于普通二极管，工作在正向特性区，正向导通，则UO=0.5V0.5V=1V,.,52,例1：

已知：

UZ1=5.5V,UZ2=8.5V,UD均为0.7V,若要得到0.7V,3V,5.5V,6.2V,8.5V,9.2V,14V电压,试设计电路。

必须串限流电阻,+5.5V,+8.5V,9.2V,.,53,N型硅,B,E,C,N+,P型硅,5.4.1半导体三极管的结构,（a）平面型,N型锗,E,C,B,P,P+,（b）合金型,5.4半导体三极管,.,54,1.NPN型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极C,基极B,发射极E,三极管的结构分类和符号,P,发射区的作用是发射载流子,掺杂的浓度较高。

基区起控制载流子的作用，掺杂的浓度最低。

而且基区做得很薄（几微米）。

集电区的作用是收集载流子,掺杂的浓度较低，几何尺寸较大。

.,55,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,C,B,E,N,集电极C,发射极E,基极B,N,P,P,N,2.PNP型三极管,.,56,共发射极接法放大电路,5.4.2三极管的工作状态,三极管处于放大状态的外部条件:

（1）发射结正向偏置；,

（2）集电结反向偏置。

对于NPN型三极管应满足:

UBE0UBCVBVE,公共端,三极管的工作状态有放大、饱和及截止三种。

1、放大状态,.,57,Ic,Rc,RB,UBB,N,P,N,UCC,三极管的电流控制原理,.,58,三极管处于放大状态时，内部载流子的运动过程是：

发射区发射载流子形成IE，其中很少部分在基区被复合而形成IB，绝大部分被集电区收集而形成IC。

三者的关系是：

IE=IB+IC,三者的大小取决于UBE的大小,UBE增加，发射区发射的载流子增多，IE、IB和IC都相应增加。

.,59,ICIB,同样有:

ICIB,所以说三极管具有电流放大作用,也称之为电流控制作用。

由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。

所以：

直流（或静态）电流放大系数,交流（或动态）电流放大系数,.,60,晶体管处于放大状态的特征是:

（a）IB的微小变化会引起IC的较大变化;,（b）IC=IB，IC是由和IB决定的;,（c）UCCUCE0，UCE=UCCRCIC,在模拟电路中，晶体管主要工作在放大状态，起放大作用。

.,61,三极管处于饱和状态的外部条件:

（1）发射结正向偏置；,

（2）集电结正向偏置。

对于NPN型三极管应满足:

UBE0UBC0,2、饱和状态,.,62,晶体管处于饱和状态的特征是:

（a）IB增加时，IC基本不变;,（c）UCE=0,（d）晶体管相当于短路。

.,63,三极管处于截止状态的外部条件:

（1）发射结反向偏置；,

（2）集电结反向偏置。

对于NPN型三极管应满足:

UBE0UBC0,3、截止状态,.,64,晶体管处于截止状态的特征是:

（a）IB=0;,（c）UCE=UCC;,（d）晶体管相当于开路。

（b）IC=0;,在数字电路中，晶体管交替工作于截止和饱和两种状态，起开关作用。

.,65,N,N,基极B,发射极E,P,N,N,P,N,N,P,发射结：

正向偏置,集电结：

反向偏置,1、放大状态,2、饱和状态,3、截止状态,正向偏置,正向偏置,反向偏置,反向偏置,IE=IB+IC,IC=IB,IB=0,IC=0,UCE=0,集电极C,C,C,B,B,E,E,.,66,UCE1V,1.三极管的输入特性,5.4.3三极管的特性曲线,.,67,IB=40A,IB=60A,IB=20A,2.三极管的输出特性,.,68,Ic/mA,UCE/V,0,三极管输出特性上的三个工作区,IB=0A,20A,40A,60A,80A,.,69,5.4.4三极管的主要参数,1.电流放大系数,

（1）直流电流放大系数,

（2）交流电流放大系数,2.穿透电流ICEO,3.集电极最大允许电流ICM,4.反向击穿电压BU（BR）CEO,5.集电极最大允许耗散功率PCM,.,70,Ic/mA,UCE/V,0,IB=0A,20A,40A,60A,80A,由三极管的极限参数确定安全工作区,ICM,ICEO,集电极最大允许耗散功率PCM,.,71,60A,0,20A,1.5,2.3,在输出特性上求,设UCE=6V,IB由40A加为60A。

IC/mA,UCE/V,IB=40A,6,.,72,三极管的微变等效电路,iC=ib,rbe称为晶体管的输入电阻，可用下式来估算：

（P21）,.,73,E,B,C,ic,rbe,ib,+uce,+ube,晶体管的微变等效电路,晶体管的微变等效电路,.,74,

（1）三极管的微变等效电路,在三极管的输入特性曲线上，将工作点Q附近的工作段近似地看成直线，当UCE为常数时，UBE与IB之比,称为三极管的输入电阻，在小信号的条件下，rbe是一常数，由它确定ube和ib之间的关系。

因此，晶体管的输入电路可用rbe等效代替。

低频小功率晶体管输入电阻的常用下式估算（P21）,rbe是对交流而言的一个动态电阻。

.,75,三极管输出特性曲线的线性工作区是一组近似等距离的平行直线，当UCE为常数时，IC与IB之比,即为三极管的电流放大系数，在小信号的条件下，是一常数，由它确定ic受ib的控制关系。

因此，三极管的输出电路可用一受控电流源ic=ib等效代替。

.,76,三极管的输出特性曲线不完全与横轴平行，当IB为常数时，UCE与IC之比,称为三极管的输出电阻，在小信号的条件下，rce也是一常数，在等效电路中与ib并联，由于rce的阻值很高，可以将其看成开路。

.,77,由以上分析可得出晶体管的微变等效电路,晶体管的微变等效电路,.,78,结构示意图,5.5.1N沟道增强型绝缘栅场效应管,5.5绝缘栅场效应管,1.结构和符号,.,79,结构示意图,耗尽层,S,G,D,UDS,ID=0,D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。

2.工作原理,

（1）UGS=0,.,80,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。

UDS,耗尽层,ID=0,

（2）0UGSUGS（th）,由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动,电子向上移动,在P型硅衬底的上表面形成耗尽层。

仍然没有漏极电流。

UGS,N+,N+,.,81,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。

耗尽层,栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道，当D、S加上正向电压后可产生漏极电流ID。

（3）UGSUGs（th）,UGS,N+,N+,.,82,ID/mA,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS=5V,6V,4V,3V,2V,ID/mA,UDS=10V,增强型NMOS管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS/V,3.特性曲线,UGs（th）,输出特性,转移特性,UDS/V,.,83,结构示意图,8.6.2N沟道耗尽型绝缘栅场效应管,P型硅衬底,源极S,漏极D,栅极G,衬底引线B,耗尽层,1.结构特点和工作原理,N+,N+,SiO2,制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。

第一章1.6,.,84,ID/mA,4,3,2,1,0,4,8,12,UGS=1V,2V,3V,ID/mA,输出特性,转移特性,耗尽型NMOS管的特性曲线,1,2,3,0V,1,0,1,2,1,2,3,UGS/V,2.特性曲线,ID,UGS,UGs（off）,第一章1.6,UDS/V,UDS=10V,.,85,N型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。

UDS,耗尽层,ID,.UGS,PMOS管结构示意图,P沟道,8.6.3P沟道绝缘栅场效应管（PMOS）,PMOS管与NMOS管互为对偶关系，使用时UGS、UDS的极性也与NMOS管相反。

P+,P+,第一章1.6,.,86,1.P沟道增强型绝缘栅场效应管,开启电压UGS（th）为