第章半导体器件jppt课件.ppt

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1、第1章 半导体器件,1.2半导体二极管,1.3特殊二极管,1.4半导体三极管,1.5场效应管,1.1PN结及其单向导电性,1）受外界光照时电导率发生很大变化光敏性； 2）受外界热刺激时电导率发生很大变化热敏性； 3）掺进微量杂质，导电能力显著增加掺杂性。,1.1PN结及其单向导电性,载流子可以自由移动的带电粒子。,根据物体导电能力的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge等。 半导体的特点：,T=0K时,本征半导体纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,在常温下,成对出现,成对消失,本征半导体的

2、载流子,结 论,1.本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,3.温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强。 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,2.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,杂质半导体:,杂质半导体,（三价）,（五价）,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,（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。 (电子型半导体),多余价电子,+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。 (空穴型半导体

3、),+4,1.N型半导体中自由电子是多子，其中大部分是掺杂提供的，本征半导体中受激产生的自由电子只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2.P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。,结 论,P 区,N 区,1. PN 结的形成,二、PN结及其单向导电性,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,扩散运动增强，形 成较大的正向电流,（1）外加正向电压,R,2. PN 结的单向导电性,P

4、区,N 区,（2）外加反向电压,内电场方向,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,1、空间电荷区中没有载流子又称耗尽层。,2、空间电荷区中内电场阻碍扩散运动的进行。（扩散运动为多子形成的运动）,3、少子数量有限，因此由它们形成的电流很小。,4、PN结具有单向导电性。,正向偏置： P区加正、N区加负电压 多子运动增强，PN结导通,反向偏置：P区加负、N区加正电压 少子运动增强，PN结截止,结 论,1.2 半导体二极管,二极管 ：一个PN结就是一个二极管。 单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。 符号：,伏安特性,死区电压 硅管0.5V,锗管0.2V。,

5、导通压降: 硅管0.60.7V, 锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),小结： （1）二极管正向电压很 小时，有死区。 （2）二极管正向导通时 管压降基本固定。导通电阻很小。 （3）二极管反向截止时 ，反向电流很小，并几乎不变，称反向饱和电流。 （4）反向电压加大到一 定程度二极管反向击穿。,O,A,C,B,D,半导体二极管的参数,(1) 最大整流电流IOM,(2) 反向工作峰值电压UBWM,(3) 反向峰值电流IRM,二极管加上反向峰值电压下的反向电流值。,二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压。为安全计，在实际工

6、作时，最大反向工作电压一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,试求下列电路中的电流。（二极管为硅管）,分析、应用举例,二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,其中： US=5V，R=1K,解：电路中二极管处于导通状态,二极管为电流控制型元件，R是限流电阻。,例1,已知VA=3V， VB=0V， VDA 、VDB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解： VDA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,VDA导通后, VDB因反偏而截止,起隔离作用, VDA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。,二极管导通后，管子上的管压降基本恒定。,例

7、2,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,0V 0V,导通 导通,导通 截止,截止 导通,截止 截止,0V 5V,5V 0V,5V 5V,0V,0V,0V,5V,求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。,解：,例3,两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。, D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,电路如左图,D1承受电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,6 V,0 V,12 V,例4,Vi VR时，二极管导通，vo=vi。,Vi VR时，二

8、极管截止， vo=VR。,理想二极管电路中 vi= Vm sint V，求输出波形v0。,解：,例5,二极管限幅电路:已知电路的输入波形为 vi ,二极管的UD 为0.6伏，试画出其输出波形。,解：,Vi 3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。,Vi 3.6V时，二极管截止， vo=Vi。,例6,理想二极管电路中 vi=V m sint V，求输出波形v0。,ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。,ViV2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。,V2ViV1时，D1、D2均截止，Vo=Vi。,例7,二极管的应用:画输出电压波形.,R,RL,ui,uR,uo,例8,本课应重点掌握的内容,理

9、解PN结的单向导电性； 2.了解二极管的基本构造、工作原理; 掌握二极管的特性曲线，理解主要参数的意义； 3.会分析含有二极管的电路；,1.3 特殊二极管,稳压二极管,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和 Izmin之间时,其两端电压近似为常数,正向同二极管,稳定电流,稳定电压,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(3) 动态电阻,(2) 稳定电流 IZ 、,(4) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZMax,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,最大稳定电流 IZMax、,最小稳定电流IZmin,稳压二极管的应用,稳

10、压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200 。若负载电阻变化范围为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？,UZW=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k),IL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） IR= (ui - UZ)/R=(12-10)/0.2=10(mA） IZ = IR - IL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , IL=10/1.5=6.7（mA）, IZ =10-6.7=3.3（mA） RL=

11、4 k , IL=10/4=2.5（mA）, IZ =10-2.5=7.5（mA）,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,光电二极管,光电二极管电路,发光二极管,发光二极管,发光二极管电路,频率：,高频管、低频管,功率：,材料：,小、中、大功率管,硅管、锗管,类型：,NPN型、PNP型,半导体三极管是具有电流放大功能的元件,1.3半导体三极管,晶体三极管的结构与符号,发射结,集电结,基极,发射极,集电极,发射区,基区,集电区,三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 UBUE 集电结反偏 UCUB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 UBUE 集电结反偏

12、 UCUB,测量晶体管特性的实验线路,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。,IC,N,P,N,VCC,RC,VBB,RB,三极管内部载流子的运动规律,1. 三极管的输入特性,三、三极管的特性曲线,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,NPN型硅管 UBE 0.6-0.7V PNP

13、型锗管 UBE 0.2- 0.3V,（以硅管为例）,IB =40A,IB =60A,IB = 20A,2. 三极管的输出特性,IB= 0 A,1.放大区（线性区）,IC(mA ),特点：满足IC= IB；IC受IB的控制；IC和UCE无关，呈现恒流特性。称为线性区（放大区）。,条件：发射结正偏，集电结反偏。,特点：此区域中UCE UBE ,集电结正偏，IC不再受IB的控制; IBIC , IC饱和;UCES 0.3V称为饱和压降。,2.饱和区,条件:发射结 和集电结均 为正偏.,此区域中特点 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,3.截止区,条件:发射结 和集电结均 为

14、反偏.,输出特性三个区域的特点:,(1) 放大区 IC=IB , 且 IC = IB ， BE结正偏，BC结反偏,(2) 饱和区 IC达饱和， IC与IB不是倍的关系， IBIC 。BE结正偏，BC结正偏 ，即UCEUBE （UCE0.3V ，UBE0.7V）,(3) 截止区 UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 （ ICEO穿透电流，很小， A 级）,测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。,截止:发射结和集电结均为反偏。,饱和:发射结和集电结均为正偏。,例1：,放大:发射结正偏,集电结反偏。,测得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，试判

15、断三极管的工作状态。,放大,例2：,测量放大电路中的三极管三个电极对地电位，试判断三极管管脚、类型、材料。,放大VcVbVe,放大VcVbVe,例3：,测量放大电路中的三极管两个电极的电流，试判断三极管管脚、类型。,例4：,半导体三极管的主要参数,1. 电流放大系数， ,直流电流放大系数,交流电流放大系数,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 - 200之间。,在UCE= 6 V时，在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在

16、Q2 点IB=60 A,IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,例5：,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,ICUCE=PCM,安全工作区,4. 集电极最大允许电流 ICM,集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO

17、,当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,本课应重点掌握的内容,了解三极管的基本构造、工作原理; 2. 掌握三极管的特性曲线，理解主要参数的意义； 3. 掌握判断三极管的状态的方法；,结型场效应管,场效应晶体三极管是由一种载流子导电的、用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有自由电子导电的N沟道器件和

18、空穴导电的P沟道器件。,按照场效应三极管的结构划分，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。,1.结构,1.5 场效应管,2.工作原理,N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电压，栅极与沟道之间的PN结为反偏。 在漏极、源极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成iD。iD的大小受UGS的控制。,P沟道场效应管工作时，极性相反，沟道中的多子为空穴。,2.工作原理,MOS管,（1） 结构,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,金属层,N沟道,金属-氧化物-半导体场效应管,绝缘栅型场效应管Metal Oxide Semiconductor,（2）符号,N沟道增强型,

19、N沟道耗尽型,（3） 工作原理,N沟道增强型,N沟道耗尽型,N沟道MOS管的特性曲线,NMOS场效应管转移特性,IDSS,UGS=3V,UGS=4V,UGS=5V,开启电压UGS（th）=1V,增强型NMOS场效应管输出特性曲线,耗尽型NMOS场效应管 输出特性曲线,UGS=0V,UGS=+1V,UGS=+2V,夹断电压UP=-2V,跨导gm,gm= ID / UGS =（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V,夹断区,可变电阻区,恒流区,本章重点掌握的内容,理解PN结的单向导电性，三极管的电流放大作用；,了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；,会分析

20、含有二极管的电路； 了解场效应管的工作原理。,注意:对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标 和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,增强型MOS管特性,耗尽型MOSFET的特性曲线,场效应三极管的参数 1. 开启电压UGS(th) 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。,2. 夹断电压UGS(off) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UGS(off)时,漏极电流为零。,3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当UGS=0时所对应的漏极电流。,4. 输入电阻RGS,结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107

21、；绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。,5. 跨导gm 跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。,6.最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= UDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。,场效应晶体管类型,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,双极型三极管与场效应三极管的比较,双极型三极管 场效应三极管 结构 NPN型 结型 N沟道 P沟道 与 PNP型 绝缘栅 增强型 N沟道 P沟道 分类 C与E一般不可 绝缘栅 耗尽型 N沟道 P沟道 倒置使用 D与S有的型号可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移 输入量 电流输入 电压输入 控制 电流控制电流源 电压控制电流源 温度特性 受温度影响较大 较小 输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上 静电影响 不受静电影响 易受静电影响 集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,