第7章半导体器件课件

第7章 半导体器件 第7章 半导体器件 171 半导体二极管 一、N型和P型半导体 半导体：硅、锗、砷化镓。物质的导电性能决定于原子结构。就硅来说，其外层的电子为4个，而外层需要8个电子才能达到稳定。因此，在单晶硅中产生共价键结构。纯净的半导体（本征半导体）的导电性能是很差的。71 半导体二极管 一、N型和P型半导体2硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价共价键键共共用用电电子子对对+4+4+4+4+4表示除表示除去价去价电电子子后的原子后的原子硅和锗的共价键结构共价键共+4+4+4+4+4表示除去价电子3 N型半导体：若在单晶硅中掺入少量的5价元素，如磷、砷、锑等。那么在磷和硅组成共价键时就会多出一个电子来，成为自由电子。这样的半导体称为电子型半导体，即N型半导体。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子 N型半导体：若在单晶硅中掺入少量的5价元素，如+44 P型半导体：如果在单晶硅中掺入少量的三价元素，如硼、铝，那么在硼和硅组成共价键时就形成空穴。这样的半导体称为空穴型半导体，即P型半导体。空穴空穴硼原子硼原子+4+4+3+4 P型半导体：如果在单晶硅中掺入少量的三价元素，空穴硼原子+5 载流子：自由电子和空穴都是载运电荷的粒子，统称为载流子。空穴：由于热运动转化为电子的动能，少数价电子可能挣脱共价键的束缚成为自由电子，在原来的位置上留下空位。+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子 载流子：自由电子和空穴都是载运电荷的粒子，统+4+6 二、PN结及其单向导电性 PN结：将一块硅片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，两种半导体的交界面形成PN结。P型区接电源的正极，N型区接电源的负极，PN接呈现低电阻，称为正向偏置。反过来接，PN结呈现高电阻，称为反向偏置。二、PN结及其单向导电性7P型半型半导导体体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩扩散的散的结结果是使空果是使空间电间电荷区逐荷区逐渐渐加加宽宽，空，空间电间电荷区越荷区越宽宽。内内电场电场越越强强，就使漂移，就使漂移运运动动越越强强，而漂移使空，而漂移使空间电间电荷区荷区变变薄。薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。P型半导体N8漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。漂移运动P型半导体9+空空间间电电荷荷区区N型区型区P型区型区电电位位VV0+10+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内内电场电场外外电场电场变变薄薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。+RE一、PN 结正向偏置内电场外电场变薄PN11二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内内电场电场外外电场电场变变厚厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE二、PN 结反向偏置+内电场外电场变厚NP+_12 三、二极管的结构和符号 二极管的内部结构有点接触型和面接触型。二极管的外形，结构和符号如图所示。引引线线外壳外壳触触丝丝基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型小功率高频小功率高频大功率低频大功率低频 三、二极管的结构和符号引线外壳触丝基片点接触型PN13UI导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBRUF死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗锗管管0.2V。PN+-正向偏置正向偏置反向截止区反向截止区反向击穿区反向击穿区四、二极管的伏安特性UI导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。14 理想二极管：（1）正向管压降为零 （2）反向电阻为无穷大。五、二极管的主要参数 (1)最大整流电流IFM (2)最高反向工作电压URM (3)反向电流IR (4)最高工作频率fM 理想二极管：15 六、二极管的整流特性 1.单相半波整流电路 将交流电转变为直流电的过程称为整流。（1）工作原理 在u2的正半周，二极管正向导通，有电流流过负载。在u2的负半周，二极管反向截至，负载上无电流流过。六、二极管的整流特性16 （2）负载电压和电流的计算 输出直流电压的平均值与变压器次级电压有效值的关系：负载的直流电流为 （2）负载电压和电流的计算负载的直流电流为17 （3）整流二极管的选择 二极管的最大整流电流应为：二极管反向工作峰值应为：（3）整流二极管的选择18 2.单相桥式全波整流电路 （1）工作原理 u2处于正半周时，D1，D3导通，D2，D4反向截至。u2处于负半周时，D2，D4导通，D1，D3反向截至。2.单相桥式全波整流电路19 （2）负载电压和电流的计算 在全波整流电路中，负载上的电压和电流应是半波整流时的两倍，即 （3）整流二极管的选择 二极管的最大整流电流应为：二极管反向工作峰值应为：（2）负载电压和电流的计算20第7章半导体器件课件21 例7-1 有一负载需要直流电压Uo=40V，电流Io=4A。计算采用半波整流电路和桥式全波整流电路时，整流二极管的电流ID和最高反向电压UDM以及电源变压器次级电压的有效值U2。解：(1)采用半波整流电路 根据(7-1)、(7-3)、(7-4)可分别得到 例7-1 有一负载需要直流电压Uo=40V，电流Io22 （2）采用桥式全波整流电路 根据式(7-5)、(7-7)、(7-8)可分别得到 （2）采用桥式全波整流电路23 七、滤波电路 整流输出的电压为脉动电压，含有直流分量和交流分量。滤波电路就是滤掉其中的交流成分。常用的滤波电路有电容滤波和电感滤波。1.电容滤波电路 （1）工作原理 u2的正半周，电容器C充电。u2的负半周，电容器C放电，设计使得放电回路的时间常数较大。七、滤波电路24第7章半导体器件课件25 （2）滤波电容C的选择与负载上直流电压的估算 滤波电容C越大，负载电阻RL越大，输出电压越平滑。一般取：半波整流滤波 全波整流滤波 通常采用电解电容器。负载断开时，电容器两端的电压将升高到 接入滤波电容器后，负载直流电压升高，按下式估算：半波整流滤波 全波整流滤波 （2）滤波电容C的选择与负载上直流电压的估算26 例7-2 有一半波整流电容滤波电路,已知交流电压频率f=50Hz。要求输出直流电压Uo=30V，电流Io=80mA。估算整流二极管及滤波电容器的参数。解：(1)整流二极管 通过二极管的电流 变压器次级电压 二极管承受的最大反向电压 例7-2 有一半波整流电容滤波电路,已知交流电压频27 (2)滤波电容器 根据式(7-9)，取RLC=5T，所以可选用C=330F，耐压为50V的电解电容器。(2)滤波电容器28 2.电感滤波电路 （1）工作原理 流过电感线圈的电流发生变化时，电感两端将产生一个反电动势来阻止电流的变化。2.电感滤波电路29 （2）滤波电感L的选择与负载上直流电压的估算 L大，滤波效果好，但成本高，直流电阻增大，导致直流能量损失增加。负载的直流电源为：（2）滤波电感L的选择与负载上直流电压的估算30 3.复式滤波电路 为进一步减小输出电压中的脉动成分，可以将电容和电感组合成复式滤波电路。3.复式滤波电路31 一、稳压二极管的伏安特性 具有稳定电压的作用。在反向击穿状态下，反向电流在一定范围内变化时，稳压管两端的电压变化很小。稳压管工作在反向击穿区。72 稳压二极管 一、稳压二极管的伏安特性72 稳压二极管32 二、稳压管的主要参数 (1)稳定电压Uz (2)动态电阻rz：几欧几十欧 (3)最大稳定电流IZM (4)最大耗散功率PZM (5)电压温度系数UZ 二、稳压管的主要参数33 三、稳压管稳压电路 三、稳压管稳压电路34稳压原理稳压原理uoiZDZRiLiuiRL+-Ui 则则Uo,于是于是Uz.由稳压特性知，由稳压特性知，必然使必然使 Iz，于是，于是 I,UR 最终使最终使Uo稳定。稳定。限流电阻限流电阻稳压原理uoiZDZRiLiuiRL+-Ui则Uo,于是3573 特殊用途二极管 一、发光二极管 正向偏置时发光。二、光电二极管 无光照射时，电路中流过微小的反向电流。受到光照时，反向电流急剧增加。三、变容二极管 反向偏置时结电容随反向电压的变化而有较大的变化。73 特殊用途二极管 一、发光二极管3674 半导体三极管 一、三极管的结构 如图所示，三极管有两个PN结。三极管有NPN和PNP两种。74 半导体三极管 一、三极管的结构37BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型三极管的基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极B38 三个区分别称为发射区、基区和集电区。相应的三个极称为发射极、基极和集电极。两个结为发射结和集电结。制造上的差异：发射区：杂质浓度高 基 区：薄且杂质浓度低 集电区：面积比发射结的面积大，杂质浓度低 按制造材料，三极管分为硅管和锗管。三个区分别称为发射区、基区和集电区。相应的三39BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面40 国产三极管的命名规则：国产三极管的命名规则：41 二、三极管的电流放大作用 实验电路如图所示。改变可变电阻Rp时，基极电流IB，集电极电流IC和发射极电流IE都将发生变化。不同值的IB有对应的IC和IE值。二、三极管的电流放大作用42三极管具有电流放大作用：IC与IB的比值称为动态电流放大系数三极管具有电流放大作用：IC与IB的比值称为动态电流放大43 三、三极管的特性曲线 三极管有三种接法，如图所示。可分为两个回路：输入回路、输出回路。以下讨论NPN硅管共发射极接法的特性曲线。三、三极管的特性曲线44 1.输入特性曲线 输入端的电压UBE与电流IB的关系，即 （1）UCE增大时，曲线族右移。（2）是非线性的。有一段“死区”。硅管约0.5V，锗管约0.1V。当管子电流较大时，发射结正向压降变化不大:硅管：0.60.7V 锗管：0.20.3V 1.输入特性曲线45第7章半导体器件课件46 2.输出特性曲线 输出电压UCE与电流IC的关系，即 曲线族可分为三个区域：（1）饱和区：集电结处于正向偏置，IC不能随IB的增大而成比例增大，IC处于饱和状态。硅管的饱和压降约为0.5V。（2）截止区：当IB=0时，集电结仍有很小的电流，此电流称为穿透电流ICEO。三极管相当于开关的断开状态。（3）放大区：IC与IB成正比，即IC=IB，而与UCE大小关系不大。2.输出特性曲线47 四、三极管的主要参数 1.电流放大系数 和 共发射极静态电流放大系数 共发射极动态电流放大系数 在常用的工作范围内二者的数值比较接近。2.穿透电流ICEO 基极开路（IB=0）情况下流过集电极和发射极间的电流。ICEO的值越小越好。硅管越几微安，锗管约几十微安。ICEO过大会导致工作特性不稳定。四、三极管的主要参数48 3.集电极最大允许电流ICM 集电极电流超过一定数值时，三极管的值将下降。把值下降到规定允许值(通常为额定值的2/3)时的集电极电流，称为集电极最大允许电流。4.集射反向击穿电压U(BR)CEO 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。5.集电极最大允许耗散功率PCM，即 集电极耗散功率超过PCM，集电结会过热，引起管子性能变差，甚至烧毁。3.集电极最大允许电流ICM497-5 场效应晶体管 场效应管有两种：结型和绝缘栅。一、绝缘栅型场效应管的结构 在衬底表面两个N+区之间生成一层二氧化硅的绝缘层，上面覆盖一层金属铝片，引出栅极（G）。简称MOS管。7-5 场效应晶体管 场效应管有两种：结型和绝缘栅。50 衬地为杂质浓度较低的P型硅片。扩散两个杂质浓度很高的的N+区，引出两个电极：源极和漏极。场效应晶体管是靠导电沟道来工作的。N型导电沟道的形成：若在二氧化硅绝缘层中渗入大量的正离子，在P型衬底的表面将产生足够大的正电场，该强电场排斥P型衬底中的空穴，同时把衬底中的电子吸引到表面，形成一个N型薄层N型导电沟道。衬地为杂质浓度较低的P型硅片。51 二、场效应管的工作原理 按导电沟道形成的不同，MOS管分为增强型和耗尽型两种。1.增强型NMOS管 工作原理：如图1.6.3，在正电源UDD的作用下，N型沟道中的电子从源极侧向漏极运动，形成漏极电流ID，当栅极和源极间的电压UGS增加时，垂直于衬底的表面电场强度增强，使导电沟道加宽，引起漏极电流ID增大；反之，UGS减小时，N沟道变窄，漏极电流ID减小。二、场效应管的工作原理52第7章半导体器件课件53 特性曲线 与双极型晶体管不同，因为栅极电流IG0，所以不研究IG和UGS之间的关系。对于场效应晶体管，研究：输出特性：ID和UDS的关系 转移特性：ID和UGS的关系 特性曲线54第7章半导体器件课件55第7章半导体器件课件56 2.耗尽型NMOS管 耗尽型NMOS管的二氧化硅绝缘层中已掺入了大量的正电荷。当UGS0时，这些正电荷产生的内电场足以在衬底表面形成反型导电沟道。当UGS0时，外电场与内电场相反，沟道变窄，从而使ID减小。当UGS负到某一数值时，导电沟道消失，ID=0。此时的UGS称为夹断电压。2.耗尽型NMOS管57 三、MOS管的特性曲线 表72 1.转移特性 栅源电压UGS与漏极电流ID的关系，即 2.漏极特性 漏源电压UDS与漏极电流ID的关系，即 三、MOS管的特性曲线58 四、MOS管的主要参数 1.跨导gm 在UDS为某一固定值时，ID的微小变化量和引起它变化的UGS微小变化量之间比值，即 2.开启电压UGS(th)UDS为某一固定值时，形成ID所需要的最小|UGS|值。增强型MOS管的参数。3.夹断电压UGS(off)在UDS为某一固定值时，使ID为某一微小电流所需|UGS|值。耗尽型MOS管的参数。四、MOS管的主要参数59 4.饱和漏极电流IDSS 在UGS=0时，ID的值。耗尽性MOS管的参数。5.极限参数 包括最大漏极电流IDM、最大耗散功率PDM、漏源击穿电压U(BR)DS和栅源击穿电压U(BR)GS。4.饱和漏极电流IDSS60第7章结束 第7章结束 61docin/sanshengshiyuandoc88/sanshenglu 更多精品资源请访问更多精品资源请访问docin/sanshengshiyuan 更多精品62