第章半导体器件.ppt

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1、第 1 章 半导体器件,第1章 半导体器件 1.1 半导体基础 1.2 半导体二极管 1.3 稳压二极管 1.4 晶体三极管 1.5 场效应管,第1章 重点,PN结的形成及其单向导电性 二极管的伏安特性 三极管的工作原理与伏安特性 场效应管的工作原理、特性曲线,1.1 半导体基础,1.1.1 半导体,导体：很容易导电的物质。如：金属等 绝缘体：几乎不导电的物质。如：橡皮、陶瓷、塑料、石英等 半导体：导电特性处于导体与绝缘体之间的物质。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等,当受外界热和光等作用时，它的导电能力明显提高。,纯净的半导体中掺入某些杂质后，会使它的导电能力明显提高。,现代电子学中，用

2、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。,1. 本征半导体,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子共用一对价电子，它们之间形成共价键。,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,硅和锗的晶体结构,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键

3、后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,本征半导体的导电机理,空穴吸引临近的电子对中的电子来填补，这样的现象，结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为：空穴也是载流子。 载流子：自由电子，空穴。成对出现，成对消失。,空穴,自由电子,束缚电子,热激发,2. 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。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。,N型

4、半导体,多余电子,磷原子,P型半导体,空穴,硼原子,杂质半导体的示意表示法,1、本征半导体中为什么成对产生自由电子和 空穴? 2、N型半导体中的载流子是什么？ 自由电子称为多数载流子（多子）， 空 穴 称为少数载流子（少子）。 3、P型半导体中的载流子是什么？ 自由电子称为少数载流子（少子）， 空 穴 称为多数载流子（多子）。 4、多数载流子由什么决定？少数载流子由什么决定？,多子扩散运动 少子漂移运动,空间电荷区,耗尽层,阻挡层,1.1.2 PN结的形成,结合浓差多子扩散界面复合,空间电荷区形成内电场E方向(NP)静电场 作用a.阻碍多子扩散,但是扩散愈多E愈强;b.利于少子漂移,但漂移愈多

5、，E愈弱。 最终动态平衡,稳定.耗尽,阻挡层,空间电荷区PN结,PN结,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,P型半导体,N型半导体,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,电位V,V0,PN结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流，PN结导通。,1.1.3 PN结的单向导电性,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流，PN结截止。,PN结的单向导电性,正向偏置 PN结导通,反向偏置 PN结截止,少子漂移电流(微),(P区高电位、N区低电位),(P区低电位、N区

6、高电位),多子扩散电流（大）,1.2 半导体二极管,1.2.1 结构和类型 PN结加上引线和管壳，就成为半导体二极管。,1.2.2 伏安特性,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),线性工作区,门坎区 死区,反向饱和区,反向击穿区,死区电压 硅管0.6V 锗管0.2V,1.2.3 主要参数,1、最大整流电流 IF 长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 2、最高反向工作电压URM 允许施加的最高反向电压，为击穿电压UBR的一半左右。 3、反向电流 IR 指二极管加反向工作电压时的反向电流。反向电流越小越好。受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的

7、反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。 4、最高工作频率fM,势垒电容和扩散电容的综合效应,1.2.4 理想二极管,含义：正偏时，二极管完全导通（死区电压为零， 正向管压降为零，正向导通电阻为零）， 相当于开关闭合导通； 反偏时，二极管完全截止（反向电流为零， 反向电阻为无穷大）， 相当于开关断开、开路。,相当于理想的开关。,二极管的应用是主要利用它的单向导电性。包括整流、限幅、保护、检波、开关、信号处理等等。,1.2.5 主要应用,例1：二极管的应用,例2：二极管的应用：,假设截止法(反证,确定二极管通断) 1.断开V, 2.绘V+,V-波形, 3.比较, V+V-二级管导通(短路处

8、理) V+V-二级管截止(断开处理),例3：二极管的应用 ：求ID,1.判断二极管是否导通？ 方法：先断开二极管，再求电压U。 2.求ID,例4：二极管的应用 ：,2.7,2.7,8.7,2.7,已知两个二极管的管压降均为0.7V，求UF 。,抢先导通,1.3 稳压二极管,U,稳压误差,-,曲线越陡， 电压越稳定。,特点： 1、通常工作在反向击穿区； 2、反向击穿特性较陡。,伏安特性,主要参数 1、稳定电压 UZ； 2、稳定电流IZ；最大稳定电流IZM； 3、电压温度系数CTU（UZ %/）； 4、最大允许功耗PZM=UZIZM； 5、动态电阻RZ；越小输出电压越稳定。,限流电阻R =？,并联

9、稳压电路,电流调节：DZ 电压调节： R,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,正向电压比较大,光电耦合器,电 光电 特点：输入与输出电气绝缘 作用：抗干扰、隔噪声,应用举例：,220V,+5V,思考题 1、本征半导体是如何导电的？ 2、N型半导体中的多数载流子是什么？P型半导体呢？ 3、多数载流子与什么有关？少数载流子呢？ 4、PN结加什么电压使空间电荷区变窄？有利于什么运动？ 5、稳压二极管与普通二极管的区别在哪里？ 6、二极管的死区电压是什么的反映？ 7、半

10、导体器件的性能为什么受温度的影响比较大？ 8、什么叫PN结的单向导电性？ 9、怎样用万用表判断二极管的极性？ 10、二极管能否起稳压作用？如能，试说明。,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：体积大,发射区：掺 杂浓度较高,集电结面积较大,发射结,晶体管放大的外部条件： 发射结加正向电压；集电结加反向电压。,晶体管放大的内部条件：,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB ，多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子成为基区的非平衡少子，漂移进入集电结而被收集，形成IC。,1.4.2 晶体管的电流放大作用,放大状态下电压和电流实际方向

11、,1.4.3 晶体管的特性曲线,实验线路,工作压降： 硅管UBE0.60.7V 锗管UBE-0.2 -0.3V,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,1、输入特性（同二极管）,当UCE大于一定的数值时，IC基本只与IB有关，IC=IB。,条件：发射结正偏,集电结反偏。 功能：放大,IC(mA ),线性放大区,2、输出特性,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCES0.3V称为饱和区。,条件： 发射结正偏 集电结正偏 功能： RCE 0 近似电子开关接通,饱和区,此区域中 : IB=0,IC=ICEO UBE 死区电压，称为截止区。,条件： 发射结反偏 集电结反偏 IB=0 功能：

12、RCE 近似电子开关断开,截止区,RC=3k， RB=200k， = 100，,1 ） IB ，IC. 判断三极管是否处于放大状态. 2）当RB=100k时，三极管是否处于放大状态？,例1.,求：,已知,UBE = 0.7V,EC=10V ,EB = 5V,解：1）,I c IB,UCE = EC ICRC102.1533.55V UBE = 0.7V,说明发射结正偏，集电结反偏， 故三极管处于放大状态。,2).,集电极临界饱和电流：,基极临界饱和电流：,IBS I c/ = 33 A,当RB=100k时，基极电流：, IBS,故三极管处于饱和状态。,测得在放大状态的两个三极管的电位分别为：2

13、.5V、 3.2V、 9V 和0.7V、1V、6V，试判断这两个三极管的类型和管脚。,解：,三极管在放大状态。说明发射结正偏，集电结反偏。,对NPN：UBE 0、 UBC 0。,说明 VC VB VE,NPN型三极管一般为硅管UBE = 0.7V， PNP型三极管一般为锗管UBE = 0.3V,B,E,C,B,E,C,对PNP ：UBE 0。,则为 VC VB VE,例2.,1.电流放大系数=Ic/Ib=IC/IB (一般40-200) 2.集-基反向饱和电流ICBO (CB之间PN结反向电流) 3.穿透电流ICEO=(1+)ICBO,1.4.4 主要参数,参考：穿透电流ICEO的形成,IC,

14、IB,ICUCE=PCM,安全工作区,4.集电极最大电流 ICM 5.集射反向击穿电压 UCEO 6.集电极最大耗散功率 PCM,1.4.5温度对三极管参数影响,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，称为单极型晶体管，是电压控制电流器件。输入阻抗高，温度稳定性好。,1.5.1场效应管的基本结构、分类,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,1.55节 场效应管,金属铝,导电沟道,N沟道增强型,N沟道耗尽型,予埋了导电沟道,P沟道增强型,P沟道耗尽型,予埋了导电沟道,UGS=0时,D-S间相当于两个PN结,对应截止区,1.5.2MOS管的工作原理,绝缘层,金属铝膜,UGS0时,感应出电

15、子,VT称为阈值电压,UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。,UGS产生电场如图，吸引电子排斥空穴形成反型层。又叫感生沟道。,UDS增加，UGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,增强型N沟道MOS管的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,1.5.3场效应管的特性曲线,耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,转移特性曲线,输出特性曲线,思考题 1、晶体管放大的内部条件和外部条件是什么？ 2、晶体管有哪些工作状态？ 3、晶体管为什么可作为开关元件使用？ 4、温度对晶体管的性能参数有什么影响？ 5、怎样用万用表判别晶体管的类型和管脚？ 6、增强型MOS管与耗尽型MOS管有何区别？ 7、跨导指什么？,P34 1.6.9 1.6.14 1.6.18,P32：1.6.1;1.6.2 ； 1.6.5；1.6.7,习题：,