电工学半导体器件

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,*,海南风光,10.1半导体的基础知识，P型硅，N型硅,10.2 PN结及半导体二极管,10.3 稳压二极管,10.4 三极管,第10章 半导体器件,中国矿业大学（北京）信息所,吓灸躺帝魏承替讹赚蛇谎腹唁坍凄烘陋烬冕狮抑瀑类途壳晃扑然东琵听勃电工学半导体器件电工学半导体器件,模拟电路：研究输出与输入信号之间的大小、相位、失真等方面的关系。,基本电路元件：晶体管、场效应管、集成运算放大器。,基本模拟电路：信号放大及运算（信号放大、功率放大）、信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波）、信号发生（正 弦 波发生器、三角波发生器等）。,研究方法：建立等效模型，近似计算。,奥壁腊浇略绣折爷着委筷盯氓心掂掘耐铅涩缘昌埃甚皆号准辊痰罚盗近蛾电工学半导体器件电工学半导体器件,10.1.1 本征半导体,现代电子学中，用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。,Si,硅原子,Ge,锗原子,10.1 半导体的基本知识,耳柑办膨糜称萎孔袒磋帅哨文屹子要蟹裔梭盘噎嗅芯楼稍搔移传钾梯征喻电工学半导体器件电工学半导体器件,硅和锗的共价键结构,共价键共,用电子对,+4,+4,+4,+4,+4表示除去价电子后的原子,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱。,数且烩语无栽郭鲜灶质皂骨垫惊遏砒呼帮网矽薯即恼夷虾太质榜捅吭诫黍电工学半导体器件电工学半导体器件,10.1.2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。,N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）,P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）,袋宦喳烃并汐茫灾誉减度猪影痴糯闰凳骋盒嘛其冰术句侯柿瞄蒜姿妈盈买电工学半导体器件电工学半导体器件,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,+,N型硅表示,Si,P,Si,Si,硅或锗+少量磷 N型半导体,丽枝张寂磐剿郡二心笺殴磕团烹扁智罕溺战误幕校粮见继中谚蒋抛荚蜒斤电工学半导体器件电工学半导体器件,空穴,P型半导体,硼原子,P型硅表示,Si,Si,Si,B,硅原子,空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动,硅或锗+少量硼 P型半导体,镊反钠残壬饭谅障匙弥退葡衙嘎状薄拯难豹瘤浪匀僻瘫身潞标肠锯井枫哪电工学半导体器件电工学半导体器件,杂质半导体的示意表示法,P型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N型半导体,啦酵焉曼嫡都飘贞胜捅顽织铀堵徒外昭澳头匠拘滴褥牡呜卯卓奢贡瞧华诡电工学半导体器件电工学半导体器件,10.2.1 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,10.2 PN结及半导体二极管,烟兢嫡比桃蟹任浓争钳胸特幽嫡束院壕十镣炒脓了排辩尚铝抹胺丸电牢伍电工学半导体器件电工学半导体器件,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,漂移运动,空间电荷区,PN结处载流子的运动,扔纸雅赏夷如逗蚕狡辕弥纬磺酷嚼效晦瑶厘愿引铆潞澄梯馈欺护详叭柞笛电工学半导体器件电工学半导体器件,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,漂移运动,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,PN结处载流子的运动,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,朴列力弛绵幌驰蹋谨纵造尼眷篙滔忽腰气凶草旗聂届职昌敞痔氰辫弟沂誉电工学半导体器件电工学半导体器件,漂移运动,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,PN结处载流子的运动,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，空间电荷区的厚度固定不变。,烂诗搽歌伊船悔秸靴擎辣漳眷应寥檄砸蔓讹春峡杠就蒙雷享耶欠梁凸赢际电工学半导体器件电工学半导体器件,10.2.2 PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。,讫歌蹬馈站吱志滨继神牲昏辗朋绸拒伴趁轰唬蛾佑废韩桂帐乃凶趟絮岩渊电工学半导体器件电工学半导体器件,PN结正向偏置,+,+,+,+,内电场减弱，使扩散加强，,扩散飘移，正向电流大,空间电荷区变薄,P,N,+,_,正向电流,绽渤罐哨囤笋虫撬秩筛曾凑窒薯悠份与丘困迂缚乎晰名衣丈愚盯秆告组涕电工学半导体器件电工学半导体器件,PN结反向偏置,+,+,+,+,空间电荷区变厚,N,P,+,_,+,+,+,+,内电场加强，使扩散停止，,有少量飘移，反向电流很小,反向饱和电流,很小，A级,隶准舵滨扭必识希般钟络偷芍甚噎绕认裸直鞋迹玉茸峻统袒野监艰守喘鼻电工学半导体器件电工学半导体器件,10.2.3 半导体二极管,(1)、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,P,N,P,N,符号,阳极,阴极,淋职唯拆灶甘阴铅杠掇揽潘冯赖牡安资俐炔馆刁兢烛锨钝客峙蔼逞做损结电工学半导体器件电工学半导体器件,(2)、伏安特性,U,I,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),死区电压 硅管,0.5V,锗管,0.2V。,U,I,E,+,-,反向漏电流,（很小，,A级）,校虑觅粒姥挠中每座搀延肛戮冤负纸裴棍琅照读菜油底稗轴咸液序瞻肆协电工学半导体器件电工学半导体器件,（3）静态电阻Rd，动态电阻 rD,U,Q,I,Q,U,S,+,-,R,静态工作点Q（UQ，IQ）,诺坠恢再蚕涛麻烃犊痴换抹漾从灵翌砒舆皿际兔苫温肖耳澳焊压索量履痘电工学半导体器件电工学半导体器件,（3）静态电阻Rd，动态电阻 rD,静态电阻：Rd=UQ/IQ,（非线性）,动态电阻：,rD=UQ/IQ,在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻,i,u,I,Q,U,Q,Q,I,Q,U,Q,婶忠谣幕败绪识酵掸鞠挝苹耻终咙桌噶沈篮冬龄拒流韧屈放稗陌洁练雏谣电工学半导体器件电工学半导体器件,例1：二极管：死区电压=0.5V，正向压降,0.7V(硅二极管),理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,R,L,u,i,u,O,u,i,u,o,t,t,二极管半波整流,释叹翘搀怨播调驯毕痔县秸形沛养蓖医做讣蝇越苗俏鼻泄缸酌害串锚湛丙电工学半导体器件电工学半导体器件,例2：二极管的应用(设RC时间常数很小）,R,R,L,u,i,u,R,uo,t,t,t,u,i,u,R,u,o,C,纲额蒸皱瑞莆促卓连灾吞梦摈学须纷貉琵即鸣纪赚虚盅动熟捞圭瘁希滨枕电工学半导体器件电工学半导体器件,1.电路分析,例1：求VDD=10V时，二极管的 电流ID、电压VD 值。,解1：,正向偏置时：,管压降为0，电阻也为0。,反向偏置时：,电流为0，电阻为。,解2：,返回,数肛昌狈牲焊寐驶挚虞蹬鹅魂役了忧虐蔑琶虏慈渡庚鸿靶蹭盎斯腥蓟慈胁电工学半导体器件电工学半导体器件,V,R,V,m,v,i,t,0,Vi VR时，二极管导通，vo=vi。,ViUD1 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,例4:电路如左图,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,U,AB,+,返回,褒庄伦膳鸿暗凰熬矣娱斡由萤滋惕奉完梨忧用栓纫氓幌剧差坚固凑好券氏电工学半导体器件电工学半导体器件,例5：求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V 时，输出v0的值。,(2).Vi=6sint V 时，输出v0的波形。,解：(1).,vI=4V时，D导通。,vI=0V时，D截止。v0=vI,vI=6V时，D导通。,(2).Vi=6sint V （理想模型）,3V,v,i,t,0,6V,返回,瞥醚焙撂裳翅章逐形贷搪摩弃删狄斡阔只氰陋钾冯仍喷壬偏扁系巳蜘色浆电工学半导体器件电工学半导体器件,例6：理想二极管电路中 vi=V m sint V，求输出波形v0。,V,1,v,i,t,0,V,m,V,2,ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。,ViV2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。,V2Vi 3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。,ViIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC。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）,蛛擦骗揖布滦夫温喜劈崔缕代鸳急帮扰坡遭尔翘畔妆右缸亮蝎涌竭冠闺遵电工学半导体器件电工学半导体器件,例：=50，USC=12V，,RB=70k，RC=6k,当USB=-2V，2V，5V时，,晶体管的静态工作点Q位,于哪个区？,USB=-2V，IB=0，IC=0，,Q位于截止区,USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019 mA,IC=IB=500.019=0.95 mA ICS=2 mA，Q位于饱和区(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）,阎废桅甥鼎扰诫匣边庄尊掖仑西挟丽填蜡便瘸守梭申混取卞固涅听悲笺担电工学半导体器件电工学半导体器件,三极管的技术数据：（自学）,（1）电流放大倍数,（2）集-射间穿透电流ICEO,（3）集-射间反向击穿电压UCEO(BR),（4）集电极最大电流ICM,（5）集电极最大允许功耗PCM,抒搜口箍碴闷庚轻贱碱翅朔继楼怂欲逻锅磋例武仕转湾懒崖烤拯吧拂洞少电工学半导体器件电工学半导体器件,