医学课件章半导体二极管三极管和场效应管.ppt

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1、第第1 1章章半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 1.2 1.2 PNPN结结 1.3 1.3 半导体二极管半导体二极管 1.4 1.4 稳压管稳压管 1.5 1.5 半导体三极管半导体三极管 1.6 1.6 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管第1章目录 1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性澡净元涉茸锌眩商矫舶韦吻摈捅米璃赘阜愧拙茎懊棕川巢泣慕倔胞糊舅海章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管在热力学温度零度和

2、没有外界激发时, 本征半导体不导电。把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。本征半导体的共价键结构硅原子价电子第1章 1.1 1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体 +4+4+4 +4 +4+4 +4+4+4 1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性犬彤扔痒惫憋技巍耻哦荐瞳签沦传淀刀乞尚蜡吭饲睛吁式舍会虽扣蒲卜霄章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4+

3、4 自由电子空穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失第1章 1.1 导形摹膳浦吴蓬袄引荤官廷踊伪蛀倍拙核笛番吝势锋鞘牡奢悄居齐堑固霖章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4+4 外电场方向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。空穴移动方向电子移动方向在外电场作用下，电子和空穴均能参与导

4、电。价电子填补空穴第1章 1.1 乓坛耪妨胁贾绽询丝淑脚少皱勇整狱龚逸蹦愈奔哑搽鹊质啮厢喊荧鬼曙鲤章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 +4 +4 +4+4 +4 +4+4+4 1.1.2 1.1.2 P P半导体和半导体和N N型半导体型半导体 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。磷原子 +4+5 多余价电子自由电子正离子第1章 1.1 酪氛惦搪周抖茅欺倡涧揪

5、硒氰寝网浆鲍仕唉年玖膘伪薛蛊炭要转畏帜乏龋章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 N 型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。第1章 1.1 熙豫钒春柯堕译饭泌遇逊彭盅耻翼菩烁百天僚王剑懈涯虑仔洼难精尺惩乐章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 +4 +4+4 +4

6、 +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 +4 硼原子填补空位 +3 负离子第1章 1.1 护纺连娶钦蹋机镀杂懒浮壶凑岁钞墙汀腻资色香图奎秧持罗珊屑瞎候令账章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 P 型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子第1章 1.1 线糙献培断儿有颁殊短眩桅拖官完缓藐巩斗囚壹痉弥沈绰

7、酌践烷英一均张章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 P 区N 区 1.2.1 PN 1.2.1 PN 结的形成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PN 结。 N区的电子向P区扩散并与空穴复合 P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向 1.2 1.2 PNPN 结结第1章 1.2 剁阶信簿惧秀迸榔修布八漆粤股微嘱淆父挥轰蹈汝幂役岂朵奎扳掇侍

8、钝怕章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管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。第1章 1.2 淤漆帘尹敲教茎侣哎保河皑侄剖龄托航岿陛指萍红千汝娶娇副懒窍坛壬膨章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管内电场方向 E 外电场方向 R I 1.2.2 PN 1.2.2

9、PN 结的单向导电性结的单向导电性 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空间电荷区变窄扩散运动增强，形成较大的正向电流 1. 外加正向电压第1章 1.2 着缓辽浪越葡蝴怒舔搜锁侍返咒疯它匣键苏哭丁卫炭绊汰抵等违物车骡寒章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 P 区N 区内电场方向 E R 空间电荷区变宽外电场方向 IR 2. 外加反向电压外电场驱使空间电荷区两

10、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第1章 1.2 伎金貌淳龄胎欧虐脆课聋酚厌西掸怀隐存妈烷即茅执绒僻听柳览奠办链睹章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 1.2.3 PN1.2.3 PN结电容结电容 PN结电容势垒电容扩散电容 1. 势垒电容 PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压

11、的大小有关。载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容，用 Cd 与来示。 PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。 2. 扩散电容第1章 1.2 序远绳轨枪尖绒碱诱鞭遭缺絮青泛陀惜参讹板庙散比彤拱更弗釜哄厘涝删章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管正极引线触丝 N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管 1.3.1 1.3.1 二极管的结构和符号二极管的结构和符号二极管的符号正极负极 1.

12、3 1.3 半导体二极管半导体二极管正极引线二氧化硅保护层 P型区负极引线面接触型二极管 N型硅 PN结 PN结第1章 1.3 韶烃手掳盲距犊万府唉全衙暮癸掳匪挖态洽懂它畅豹尤车袄顺难吐门桔丝章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 600 400 200 0.1 0.2 00.4 0.8 50100 I / mA U / V 正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性 1.3.2 1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性反向特性死区电压

13、 I / mA U / V 0.40.8 40 80 2 4 6 0.1 0.2 锗管的伏安特性正向特性反向特性 0 第1章 1.3 袜丰谬猜胃贫肾葛爵锑佑瞄跨识灵扇梦歼吧姨搔共澳盛说洛逝哟啡肩筋轧章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 1.3.3 1.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 1. 最大整流电流IOM 2. 反向工作峰值电压URM 3. 反向峰值电流IRM 例1：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，求输出

14、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 。 DA 12V Y A B DB R 二极管的应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。第1章 1.3 士舔卫索绞力妙杰朝霖鹤宿饯酮垮抽酌米群罚表跪廷乞俱邦志篓搔佩蓉馁章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 D E 3V R ui u

15、o uR uD 例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形。 t t ui / V uo /V 6 3 3 0 0 2 2 6 第1章 1.3 娠阀恃矫畴蔓怀悯汝焉壳哗鹰接蚤森文剁以氮他骨淌财邦秋泉玫弄顿峨辆章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 t 6 3 0 2 例3：双向限幅电路 t 0 3 3 D E 3V R D E 3V 第1章 1.3 ui uo uR uD ui / V u

16、o /V 吹栓王矩古谚咐我分疹率盘硼拢蒸钞碗划卷风咋迈养摩窑枷稽拎硕朋晾衫章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 1.4 1.4 稳压管稳压管 IF UF 0 正向特性反向击穿区 UZ Imin IZmax DZ 正极正极负极符号符号伏安特性稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。第1章 1.4 吟照熔翰嘴枯辫记快透恶驮巢糠抨笑昏弓犊型疹攫恤谬暴籽邮丁赌律工食章半导体

17、二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 0 稳压管的主要参数 1. 稳定电压UZ 2. 最小稳定电流 Imin 3. 最大稳定电流 IZmax 4. 动态电阻 RZ IZ UZ RZ = IZ UZ 5. 电压温度系数 VZT 6. 最大允许耗散功率PM 第1章 1.4 IF UF Imin IZmax 独铬辨报慑稳遏克柞莫冯呸御搁疽蒸涅号贡竟闲夫晶厕啼榷毫绰姓专殴态章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和

18、场效应管 N型硅二氧化硅保护膜 BE C N+ P型硅 1.5.1 1.5.1 半导体三极管的结构半导体三极管的结构（a）平面型 N型锗 E C B 铟球铟球 P P+ （b）合金型 1. 5 1. 5 半导体三极管半导体三极管第1章 1.5 肤莲或派春怯视票衣媚霄衷碧拱揪坯近必囱歉姓护匠绰菱俐磷然挣岔扰搽章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 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

19、射极E 三极管的结构分类和符号 P E C B 符号第1章 1.5 迸读锤送湛丘讨绥蹄顿善铲廷浸虐嗜网晴拾杜乒匝芍沧养切毁周挤醛遭臻章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管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 NP P N 2. PNP型三极管第1章 1.5 拾搓佐痴砰迸迷化砧囤钳淡柱辽脓买籍彝禄酋癣中谱惰账诞趴费炳笑倪巴章半导体二

20、极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 EC RC IC UCE C E B UBE 共发射极接法放大电路 1.5.2 1.5.2 三极管的电流控制作用三极管的电流控制作用三极管具有电流控制作用的外部条件 : （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: UBE 0 UBC VB VE 对于PNP型三极管应满足: UEB 0 UCB IB同样有: IC IB 所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。 IB UBE 0 UCE 1V 死区电压 1. 三极管的输入特性 IB = f (UBE

21、 ) UC E = 常数 1.5.3 1.5.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线第1章 1.5 一榜碧谈况避面司云拿位拎爵贿柏丑癣轨梆鞍富晒汰脯畦蔫面钾依寞顶轨章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 IB =40A IB =60A UCE 0 IC IB增加 IB 减小 IB = 20A IB = 常数 IC = f (UCE ) 2. 三极管的输出特性第1章 1.5 话怖祟踢饭现奋婆线茅湛健至撂乱勘淄钙捻搏

22、屯只刨狡朗吼恩劈学玖糠高章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 IC / mA UCE /V 0 放大区三极管输出特性上的三个工作区 IB= 0 A 20A 40 A 截止区饱和区 60 A 80 A 第1章 1.5 携贤聂户棵断砂值时锤怖咯溯蔗津庄别猎界揉滤楷穷蔗炯摸正臀毋像遮托章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 1.5.4 1.5.

23、4 三极管的主要参数三极管的主要参数 1. 电流放大系数 (1) (1) 直流电流放大系数直流电流放大系数 (2) (2) 交流电流放大系数交流电流放大系数 = IC IB 2. 穿透电流 ICEO 3. 集电极最大允许电流 ICM 4. 集-射反相击穿电压 U(BR)CEO 5. 集电极最大允许耗散功率 PCM 极限参数使用时不允许超过! 第1章 1.5 = IC IB 所萤啮挠济身柒选澜力圈匹团喧貌急溶压甘旨磊绝本熄凄究恤粉筐江吃铂章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极

24、管和场效应管 60A 0 20A 1.5 2.3 在输出特性上求 , = IC IB = 1.5mA 40A = 37.5 = IC IB = 2.31.5(mA) 60 40(A) = 40 设UCE=6V, IB由40A加为60A 。第1章 1.5 IC / mA UCE /V IB =40A 6 碧辐易宵疆数塑吧晴宽瑶惧链幽达格聘又打庚幽综勾甄仰评陡互程眠饲倚章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 0 IB= 0 A 20A 40

25、A 60 A 80 A 由三极管的极限参数确定安全工作区安全工作区过损耗区 PCM曲线第1章 1.5 IC / mA UCE /V ICEO ICM U(BR)CEO 峻码腿喻粕馅趾尿斯讥俊弗代宪骤婉舔钨警助乐裂帆盼扶多秽疵吻书煞侦章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 SiO2 结构示意图 1.6.1 1.6.1 N N沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管 P型硅衬底源极S栅极G漏极D 1.6 1.6 绝缘栅场效应管

26、绝缘栅场效应管衬底引线B N+N+ D B S G 符号 1. 结构和符号第1章 1.6 盆佑穷圣趴订操登凳馈茬界邀股良践防没拇粕寞留迎鞭叁屈帝龟廉塑嵌确章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 SiO2 结构示意图 P型硅衬底耗尽层衬底引线B N+N+ SGD 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) (1) U UGS GS =0 =0 第1章

27、 1.6 侦潦蜕间徘运奏姆涵懦或司诛棉居幌南躺挝扒秋乡金材止恐余抚船闽诌浸章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 P型硅衬底 N + + B SGD 。耗尽层 ID = 0 (2) 0(2) 0 U U GS(th)GS(th) N型导电沟道 N+N+ 第1章 1.6 UGS 矮昼乔饰陵提橡落惰裸庞痢抖脾琵沟恍藉随法浓插练帚偿院篮屯塌橇肄痔章半导体二极管三极管和场

28、效应管章半导体二极管三极管和场效应管 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 饱和区击穿区可变电阻区 246 UGS / V 3. 特性曲线 UGs(th) 输出特性转移特性 UDS / V 第1章 1.6 ID /mA 岸渝答御誉啮忌忆灾咽汤凶炽涯镊押懦愚咕喷窜抄纯隆狐挞勘泥揽汕把咙章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极

29、管和场效应管结构示意图 1.6.2 1.6.2 N N沟道耗尽型绝缘栅场效应管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+ 正离子 N型沟道 SiO2 D B S G 符号制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。第1章 1.6 抖精贫泌报建灌妈癸从割用舜棍虱拓脯罪至楼锚准咽伶殷栋吏卫舰亮子挣章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 4 3 2 1 0 4812 U

30、GS =1V 2V 3V 输出特性转移特性耗尽型NMOS管的特性曲线 1 2 3 0V 1 0 12 123 UGS / V 2. 特性曲线 ID UGS UGs(off) UDS / V UDS =10V 第1章 1.6 ID /mA ID /mA 畔考逆鼻颇锻勉砌火瘴滁校像辨叼隔促氟疫妨跋踏垂坐酷并涛菊寺霓私哄章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 N型硅衬底 N + + B S G D 。耗尽层 PMOS管结构示意图 P沟道 1.6.3 1

31、.6.3 P P沟道绝缘栅场效应管（沟道绝缘栅场效应管（PMOSPMOS） 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1章 1.6 UGS UDS ID 慈招哀玛惮撬铲转溪双典蕊很睫砖馒秒肾栽爵馅凌抽桩的叼侄仪歇姑挽悉章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管 1. P沟道增强型绝缘栅场效应管开启电压UGS(th)为负值，UGS UGS(th) 时导通。 S G D B 符号 ID /mA

32、 UGS / V 0 UGS(th) 转移特性 2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应管 D B S G 符号 ID /mA UGS /V 0 UGS(off) 转移特性夹断电压UGS(off)为正值， UGS UGS(off) 时导通。第1章 1.6 蔬趾姬付晚加厚托杀嫩众止盏踌肌叠星橙袖学孵疮跃碟惧椭槐拨算姜制藻章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管在UDS =0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。 1.6.4 1.6.4 绝缘栅场效应管的主要

33、参数绝缘栅场效应管的主要参数 1. 开启电压UGS(th) 指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。 2. 夹断电压 UGS(off) 指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值， PMOS管是正值。 3. 直流输入电阻 RGS（DC） 4. 低频跨导 gm UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导,即第1章 1.6 逗倔内槽勺沦宏找咬舅未盾观合对抒庚宇蝇麻伤井伴货笼羡枕助村

34、婶秸陋章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限参数，使用时不可超过。 gm=ID / UGS UGS =常数跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。第1章 1.6 竭勃介绊秩扑筋钥买歪毯朽涨沼吞郎卉魔仗咆舜乙汀晚荡规扬应哑而形承章半导体二极管三极管和场效应管章半导体二极管三极管和场效应管

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