常用半导体精华版

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,模拟电子技术,电子电气工程学院,小和尚学知识,百度文库,第一章,常用半导体器件,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1.4 场效应晶体管,1.1 半导体基础知识,导体：,自然界中很容易导电的物质称为,导体,，金属,一般都是导体。（,电阻率10,-6,10,-3,）,绝缘体：,有的物质几乎不导电，称为,绝缘体,，如橡,皮、陶瓷、塑料和石英。（电阻率10,9,10,20,）,半导体：,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘,体之间，称为,半导体,，如锗、硅、砷化镓等。,（电阻率10,-3,10,9,）。,1、本征半导体,定义,纯净的晶体结构的半导体叫做,本征半导体,。,无杂质,稳定的结构,本征半导体的结构及导电机理（以硅Si为例）,共价键,价电子共有化，形成共价键的晶格结构,半导体中有两种载流子:自由电子和空穴,自由电子,空穴,在外电场作用下，电子的定向移动形成电流,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,1.本征半导体中载流子为电子和空穴（金属呢？）,2.电子和空穴成对出现,浓度相等。,3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导,体的导电性和温度有关,对温度很敏感。,总结,2 杂质半导体,2.1 N型半导体,在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。,电子-多子;,空穴-少子.,2 杂质半导体,2.2 P型半导体,在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。,空穴-多子;,电子-少子.,注意,杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度；,少子的浓度决定于温度。,3 PN结,3.1 PN结的形成,P区,N区,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之，包括,电子和空穴的扩散！,3.1 PN结的形成,在交界面，由于两种载流子的浓度差，出,产生扩散运动。,I,扩,3.1 PN结的形成,在交界面，由于扩散运动,经过复合,出现空,间电荷区,空间电荷区,耗尽层(电荷层、势垒层),I,漂,3.1 PN结的形成,当扩散电流等于漂移电流时，达到动态,平衡，形成PN结。,PN结,I,扩,I,漂,1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;,2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;,3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态,平衡，形成PN结。,总结,3.2 PN结的单向导电性,1)PN结外加正向电压时处于导通状态,加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压，也称正向接法或正向偏置。,内电场,外电场,外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变,窄，形成较大的扩散电流。,2)PN结外加反向电压时处于截止状态,外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变,宽，形成很小的漂移电流。,3.3 PN结的伏安特性(小结),正向特性,反向特性,反向击穿,PN结的电流方程为,其中，,I,S,为反向饱和电流，,U,T,26mV，,3.4 PN 结的电容效应,1）势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容,C,b,。,2）扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容,C,d,。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,清华大学 华成英,1.2 半导体二极管,将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A），由N区引出的电极为阴极（K）。,二极管的符号：,P,N,阳极,阴极,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压,二极管,发光,二极管,二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的,电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,二极管的伏安特性,-,单向导电性！,伏安特性受温度影响,T,（）在电流不变情况下管压降,u,反向饱和电流,I,S,，,U,(BR),T,（）正向特性左移,，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,二极管的等效电路,理想,二极管,近似分析中最常用,理想开关,导通时,U,D,0截止时,I,S,0,导通时,U,D,U,on,截止时,I,S,0,导通时,i,与,u,成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1）将伏安特性折线化,？,100V？5V？1V？,2）微变等效电路,Q,越高，,r,d,越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,u,i,=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,二极管的主要参数,1.,最大整流电流,I,F,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.,反向击穿电压,U,(BR),二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向,电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的,最高反向工作电压,U,R,一般是,U,(,BR),的一半。,3.,反向电流,I,R,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,4.,最高工作频率,f,M,二极管的上限频率,二极管的典型应用,t,t,u,o,0,u,i,0,D,u,i,u,o,R,L,应用一：画出二极管电路的输出波形（设,U,D,=0）。,整流二极管！,应用二：画出二极管电路的输出波形（设,U,D,=0.7V）。,0.7V,0.7V,-3V,钳位二极管！,稳压二极管,1）伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2）主要参数,稳定电压,U,Z,、稳定电流,I,Z,最大功耗,P,ZM,I,ZM,U,Z,动态电阻,r,z,U,Z,/,I,Z,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻,斜率？,应用三：,R,L,为负载电阻，,R,限流电阻,当,U,I,变化时，由于稳压管的作用，输出,U,O,不变。,特殊二极管,1.光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。,2.发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成,当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。,1.3 晶体三极管,一、三极管的结构和符号,NPN,型,基区,发射区,集电区,发射结,集电结,发射极,基极,集电极,b,e,c,发射极箭头的方向,为电流的方向,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,小功率管,中功率管,大功率管,二、晶体管的电流放大原理,放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真的放大输出，放大的对象是变化量。,晶体管的放大作用表现为,小的,基极电流可以控制,大的,集电极电流。,共射放大电路,扩散运动形成发射极电流,I,E,，复合运动形成基极电流,I,B,，漂移运动形成集电极电流,I,C,。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,I,B,B,E,C,N,N,P,V,B,R,B,Vcc,I,E,I,C,I,C,晶体管实质上是一个,电流控制器,！,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,电流分配关系:,三极管具有电流放大作用的条件：,内,部,条,件,发射区多数载流子浓度很高；,基区很薄，掺杂浓度很小；,集电区面积很大，掺杂浓度低于发射区。,外,部,条,件,发射结加正向偏压（发射结正偏）；,集电结加反向偏压（集电结反偏）。,思考题：三极管发射极和集电极能否互换？,三、晶体管的共射特性曲线,U,CE,I,C,+,-,U,BE,I,B,+,-,实验线路,m,A,A,V,V,R,B,E,C,E,B,R,C,1.,输入特性,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,工作压降：硅管,U,BE,0.60.7V,锗管,U,BE,0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,2.输出特性,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域满足,I,C,=,I,B,称为线性区（放大区）。,I,C,只与,I,B,有关，,I,C,=,I,B,。,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中,U,CE,U,BE,集电结正偏，,I,B,I,C,，,U,CE,0.3V称为饱和区。,2.输出特性,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中:,I,B,=0,I,C,=,I,CEO,U,BE,I,C,，,U,CE,0.3V,(3)截止区：,U,BE,U,GS（off）,u,GD,0,时,U,GS,排斥空穴，形成耗尽层。,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,U,GS,0,时,U,GS,足够大时（,U,GS,U,GS(th),），出现以电子导电为主的N型导电沟道。,吸引电子,V,GS(th),称为开启电压,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,导电沟道在两个,N,区间是均匀的。,当,U,DS,增大时，靠近,D,区的导电沟道变窄。,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,夹断后，即使,U,DS,继续增加，,I,D,仍呈恒流特性,。,I,D,U,DS,增加，,U,GD,=,U,GS(th),时，靠近,D,端的沟道被夹断，称为预夹断。,D,P型衬底,N,+,N,+,B,G,S,V,GG,V,DD,P型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,P型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,夹断区,(,a,),U,GD,U,GS(th),(,b,),U,GD,=,U,GS(th),(,c,),U,GD,U,GS(th),3.特性曲线,(,a,)转移特性,(,b,)漏极特性,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,预夹断轨迹,恒流区,击穿区,可变电阻区,U,GS,U,GS(th),时,),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。,U,GS(th),2,U,GS(th),I,DO,U,GS,/V,I,D,/mA,O,N,P,P,G,S,D,G,S,D,P,沟道增强型,2.2 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,P型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,+,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中,“,感应,”,负电荷，形成,“,反型层,”,。即使,U,GS,=0 也会形成 N 型导电沟道。,+,+,U,GS,=0，,U,DS,0，产生较大的漏极电流；,U,GS,0；,U,GS,正、负、零均可。,I,D,/,m,A,U,GS,/V,O,U,P,(,a,),转移特性,I,DSS,(,b,),漏极特性,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,+1V,U,GS,=0,-,3 V,-,1 V,-,2 V,4,3,2,1,5,10,15,20,场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流,I,DSS,2.夹断电压,U,P,3.开启电压,U,T,4.直流输入电阻,R,GS,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 10,7,以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 10,9,。,二、交流参数,1.低频跨导,g,m,2.极间电容,用以描述栅源之间的电压,U,GS,对漏极电流,I,D,的控制作用。,单位：,I,D,毫安,(,mA,),；,U,GS,伏,(,V,),；,g,m,毫西门子,(,mS,),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括,C,GS,、,C,GD,、,C,DS,。,极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,三、极限参数,1.漏极最大允许耗散功率,P,DM,2.漏源击穿电压,U,(BR)DS,3.栅源击穿电压,U,(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。,漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流,I,D,急剧上升产生雪崩击穿时的,U,DS。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若,U,GS,U,(BR)GS,，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,场效应管总结：,场效应管总结：,场效应管与晶体管的比较,本 章 结 束,