一章常用半导体器件.ppt

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1、第一章 常用半导体器件,第一节 PN结及其单向导电性 第二节 半导体二极管 第三节 特殊二极管 第四节 晶体管 第五节 场效应晶体管,习 题,目录,第一节 PN结及其单向导电性,半导体的导电特点 PN结,返 回,一、半导体的导电特点,1.半导体材料,物质分为导体、半导体、绝缘体。半导体是4价元素。,半导体材料的特点： 半导体的导电能力受光和热影响。 T 导电能力 光照导电能力 纯净的半导体掺入杂质导电性会大大增强。,返回,+4,纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 本征半导体中的载流子 自由电子 () 空 穴 （+）,2. 本征半导体,空穴与电子成对出现并可以复合。,* 空穴的移动,返

2、回,3. 杂质半导体,N型半导体 掺5价元素，如磷，自由电子数多于空穴数，自由电子数是多子。,P型半导体 掺3价元素，如硼， 空穴数多于自由电子数，空穴是多子。,返回,N型半导体,磷原子,硅原子,硅或锗 +少量磷 N型半导体,多余电子,返回,P型半导体,硼原子,硅原子,硅或锗 +少量硼 P型半导体,多余空穴,返回,返回,4扩散运动与漂移运动 载流子由于浓度差异而形成运动叫扩散运动。 在电场作用下，载流子的定向运动叫漂移运动。,1. PN结的形成,二、 PN结,扩散运动,空间电荷区,削弱内电场,漂移运动,内电场,动态平衡,电荷区空间,返回,外电场方向与内电场方向相反 空间电荷区(耗尽层)变薄 扩

3、散漂移 导通电流很大 ,呈低阻态。,2. PN结的单向导电性,P,N,加正向电压（正偏） P（+） N（）,返回,少子形成的电流，可忽略。,外电场与内电场相同 耗尽层加厚 漂移扩散 少子形成反向电流IR，很小，呈高阻态。,N,加反向电压（反偏）P（） N（+）,返回,第二节 半导体二极管,半导体二极管的伏安特性 半导体二极管的主要参数,返 回,一、半导体二极管的伏安特性,+,P区阳极 N区阴极,阳极,阴极,1. 正向特性 死区电压 硅管 0.5V 锗管 0.1V 正向导通电压 硅管 0.7V 锗管 0.3V,2. 反向特性 反向饱和电流很小，可视为开路； 反向电压过高，电流急增，二极管发生击穿

4、。,VD,返回,O,二、半导体二极管的主要参数,1. 最大整流电流 IF 二极管允许通过的最大正向平均电流。 2. 最高反向工作电压 URM 保证二极管不被击穿允许加的最大反向电压。 3. 最大反向饱和电流 IR 室温下，二极管加最高反向电压时的反向电流，与温度有关。,返回,例1、如图，当E5V时， I5mA，则 E=10V，I（ ） A. I10mA B. I 10mA C. I10mA D. 不确定,E,VD,I,B,返回,O,例2、如图，E5V，二极管正向压降忽略不计，画出 uo波形。,E,VD,ui,uo,10,ui /V,t,ui E VD截止 uo =E,ui E VD导通 uo

5、= ui,5,5,利用二极管的单向导电性可对输出信号起限幅作用。,返回,O,例3、如图，E6V，二极管正向压降忽略不计，画出 uo波形。,E,VD1,ui,uo,10,ui /V,t,6,E,VD2,R,6,ui E，VD1导通，VD2截止 uo=E=6V Eui E ，VD1、VD2截止， uo=ui,解：,ui E， VD2导通，VD1截止 uo=E=6V,6,返回,O,O,例4、二极管组成电路如图，设二极管导通电压为0.3V，试求输出电压UF 。,+3V,UF,12V,R,0V,VD1,VD2,3V 0 12V,VD1率先导通， UF3V0.3V2.7V,VD2截止,解：,返回,第三节

6、特殊二极管,稳压管 光敏二极管 发光二极管,返 回,稳压管是一种特殊的二极管，具有稳定电压的作用。,稳压管工作于反向击穿区。 特点：电流变化大，电压变化小。,1. 稳压原理,稳压管：1）加正向电压时等同于二极管。 2）加反向电压时使其击穿后稳压。,VS,返回,一、稳压管,O,1) 稳定电压UZ 正常工作下，稳压管两端电压。 同一型号的稳压管分散性较大。 2) 稳定电流 IZ 正常工作下的参考电流。 大小由限流电阻决定。 3) 动态电阻rZ rZ =U/I rZ 越小，稳压效果越好。,2. 稳压管参数,返回,4) 温度系数u 温度改变1，稳压值改变的百分比。 其值可正，可负。 5) 最大允许耗散

7、功率PZM 管子不至于产生热损坏时的最大功率损耗值叫做最大耗散功率。稳压管工作时，功耗超过PZM ，管子将会因热击穿而损坏。,返回,返回,例1、如图，已知UZ=10V，负载电压UL（ ） （） 5 （）10 （）15 （）20,A,UL,稳压管的工作条件 （）必须工作在反向击穿状态。 （）电路中应有限流电阻，以保证反向电流不超过允许范围。,例2、已知ui = 6sint，UZ =3V，画输出波形。,3,3,返回,O,O,例3、图示电路中，稳压管VS1、VS2的稳压值分别为UZ15V，UZ27V，正向压降为0.7，若输入电压Ui波形如图所示，试画出输出电压波形。,R,R,VS1,VS2,Ui,U

8、o,Ui 经电阻分压 URUi/2,当UR UR5V，VS1反向导通，VS2截止 ，Uo=UZ1 UR 0.7V， VS1、VS2正向导通，Uo=0.7V,3V,5V,0.7V,解：,返回,返回,二、光敏二极管,光敏二极管(或称光电二极管)是一种将光能转换成电流的器件。,光敏二极管的PN结接受光线照射时，会像热激发一样，可以成对地产生大量的电子和空穴，使半导体中少子的浓度提高。 这些载流子在反向偏置下可以产生漂移电流，使反向电流显著增加。 反向电流的大小与光照强度成正比。,VL,返回,三、发光二极管,发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，简称为LED。,当LED正向导通时，由于电子与空

9、穴的复合而以光的形式放出能量。,发光二极管的发光颜色取决于使用的材料。,发光二极管只能工作在正向偏置状态，工作 时电路中必须串接限流电阻。,第四节 晶体管,晶体管的基本结构和类型 晶体管的电流分配和放大原理 晶体管的特性曲线 晶体管的主要参数 温度对晶体管特性和参数的影响,返 回,一、晶体管的基本结构和类型,基区,集电区,发射区,基极,集电极,发射极,集电结,发射结,NPN型,VT,返回,PNP型,特点：发射区参杂浓度很大， 基区薄且浓度低， 集电结体积大。,VT,返回,二、晶体管的电流分配和放大原理,放大条件 （）内部特点决定 发射区产生大量载流子; 基区传送载流子; 集电区收集载流子。,（

10、）外部条件 发射结正偏，集电结反偏。,返回,RB,RC,EB,EC,N,N,P,发射区电子,发射结正偏 利于发射区发射电子,基区,集电结反偏利于集电区收集电子,集电区,2. 电流分配,返回,少子的移动,RB,EB,RC,EC,基极电流很小的变化，将引起集电极电流一个很大的变化。,直流放大系数,交流放大系数,返回,1. 输入特性曲线,三、晶体管特性曲线,IBf (UBE) UCE =常数,发射结、集电结正偏，两个二极管正向并联。,集电结反偏，IB 减小 UCE 1 IB 变化很小，与 UCE = 1 曲线重合。,返回,O,2输出特性曲线,饱和区,截止区,放大区,截止区 IB0 ，IC0 ，UBE

11、0 发射结反偏，集电结反偏。,放大区 ICIB 发射结正偏，集电结反偏。,饱和区 UCEUBE ，发射结、集电结正偏。,返回,O,2极间反向电流 ICBO：发射极开路，基极与集电极间的反向饱和电流，受温度影响大。 ICEO：基极开路，集电极与发射极间的穿透电流。,四、晶体管主要参数,1 放大倍数,返回,集电极最大电流ICM IC ICM 集电极发射极反向击穿电压UCEO 基极开路，加在集电极和发射极间的最大允许工作电压。 UCE UCEO 集电极最大允许功耗PCM ICUCE PCM,3极限参数,返回,五、温度对晶体管的影响,温度对ICEO、ICBO的影响 ICEO、 ICBO 随温度上升急剧

12、增加，温度每升高10， ICBO约增加一倍。 温度对锗管的影响比较大。 温度对 的影响 温度增加， 随之增加 。 3. 温度对 UBE 的影响 温度增加， UBE 随之减少 。,返回,例1：由晶体管各管脚电位判定晶体管属性 （1） A: 1V B：0. 3V C: 3V （2 ）A: 0. 2V B: 0V C: 3V,如何区分硅管和锗管 如何区分NPN、PNP管 如何区分三个极,A. UBE 0. 2V(锗管） UBE 0. 7V(硅管）,B.,步骤：1. 区分硅管、锗管，并确定C极（以 相近两个电极的电压差为依据， UBE硅0.7V UBE锗0.2V0.3 V） 2. 区分NPN、PNP管

13、 （NPN：VC最高 ， PNP： VC最低 ） 3. 区分三极 （ NPN： VC VB VE PNP： VC UB VE）,解：,（1） 硅管 、NPN管 A：基极 ；B: 发射极； C: 集电极 （2） 锗管 、 PNP管 A: 基极； B: 发射极 ； C: 集电极,返回,例2：有三只晶体管，分别为 锗管150，ICBO2A； 硅管100，ICBO1A； 硅管40，ICEO41A；试从和温度稳定性选择一只最佳的管子。,解：, 值大，但ICBO也大，温度稳定性较差； 值较大，ICBO1A，ICEO101 A ； 值较小，ICEO41A， ICBO1A。 、 ICBO相等，但 的 较大，故

14、 较好。,返回,第五节 场效应晶体管,N沟道增强型MOS管 N沟道耗尽型MOS管 MOS管的主要参数及使用注意事项,返 回,返回,场效应晶体管是用输入回路的电场效应来控制半导体中的多数载流子，使流过半导体内的电流大小随电场强弱而变化，形成电压控制其导电的一种半导体器件。与晶体管相比场效应晶体管更易于集成。,场效应晶体管有两种:,返回,P,N,N,G,S,D,N区,SiO2绝缘层,源极,栅极,漏极,金属铝,P型衬底,B,一、N沟道增强型MOS管,返回,ID,mA,UDS,UGS,G,S,D,RD,特性曲线,UGS0，ID0 UGS 开启电压 形成导电沟道 ID随UGS的增加而增大,漏极特性曲线,

15、可变电阻区,夹断区,恒流区,场效应管是一种电压控制电流的器件,O,V,返回,转移特性曲线,固定一个UDS，ID和UGS的关系曲线，称为转移特性曲线。,IDO是UGS(th)/2时的ID值,在一定的漏源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。,O,返回,二、N沟道耗尽型MOS管,P,N+,N+,G,S,D,B,N型沟道,耗尽型管子的栅源电压，在一定范围内正、负值均可控制漏极电流的大小。,耗尽型场效应管在制造时导电沟道就已形成,返回,特性曲线,漏极特性曲线,转移特性曲线,当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID= 0，称场效应晶体管处于夹断状态。,O,返

16、回,三、MOS管的主要参数及使用注意事项,1直流参数,开启电压UGS（th）：在UDS为某一固定值时，形成ID所需要的最小|UGS|值。 夹断电压UGS（off）：在UDS为某一固定值时，使ID为某一微小电流（便于测量）所需要的UGS值。 饱和漏电流IDSS：指在UGS0 、 UDS10V时，使管子出现预夹断时的漏极电流。 直流输入电阻RGS（DC）：栅源电压和栅极电流的比值，一般大于109。,返回,2极限参数,最大漏极电流IDM：管子在工作时允许的最大漏极电流。 最大耗散功率PDM：决定管子温升的参数。如超过PDM时，管子因过热而损坏或引起性能变坏。 漏源击穿电压U（BR）DS：指在UDS增大过程中，使ID出现急剧增加的电压。 栅源击穿电压U（BR）GS：绝缘层击穿电压。管子击穿后将出现短路，使管子损坏。,返回,3交流参数,低频跨导gm：在UGS为某一固定值时，ID的微小变化量和引起它变化的UGS微小变化量之间的比值，单位为西门子（S） 极间电容: 场效应晶体管的三个极之间均存在电容。通常栅源电容CGS和栅漏电容CGD约为13pF，而漏源电容CDS约为0.11pF。,返回,4. 使用注意事项,管子保存和使用不当时，感应电压过高极易造成管子击穿。,存放时应使三个电极短接。 在焊接时，烙铁要有良好接地。,