常用半导体器件基本知识课件

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,*,Chapter 4,常用半导体器件,Chapter 4常用半导体器件,2,主要内容,半导体的基本知识与,PN,结,半导体二极管及其应用电路,双极型三极管及其特性参数,场效应管及其放大电路,2主要内容半导体的基本知识与PN结,3,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。,学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。,对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。,器件是非线性的、特性有分散性、,RC,的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,学习要求：,3 对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用,4,4.1,半导体的基本知识与,PN,结,物质的分类,绝缘体,：,10,12,cm,如：橡胶、陶瓷、塑料等,导体：,电阻率,10,-4,cm,如：金（,Au,）、银（,Ag,）、铜（,Cu,）、锡（,Sn,）,导电性能介于导体与绝缘体之间,，受温度、光照和掺杂程度影响极大,半导体,：,10,-3,cm ,V,T,时,V,T,称为死区电压。,硅管：,V,T,0.5V,，,锗管：,V,T,0.1V,。,导通时的正向压降,硅管：,0.6 0.7V,，,锗管：,0.2 0.3V,。,正向特性,1.,正向特性,2.,反向特性,电流很小，几乎为零。,当,u,0,时，,i,= ,I,s,（,反向饱和电流,）,+,i,D,u,D,二、 二极管伏安特性,12604020 0.02 0.0400.40.825,13,当反向电压增大至,U,(BR),时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。,3.,反向击穿特性,60,40,20, 0.02, 0.04,0,0.4,0.8,25,50,I,/ mA,U,/ V,反向特性,击穿电压,U,(BR),13 当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大,14,三、,主要参数,2.,最高反向工作电压,U,DRM,它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,1.,最大整流电流,I,FM,最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,3.,最大反向电流,I,RM,它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,14三、 主要参数 2. 最高反向工作电压 U,15,四、,二极管的电路模型,二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的,模型,分析法。,o,i,D,u,D,+,i,D,u,D,二极管导通后，,硅管：,u,D,0.7V,，,锗管：,u,D,0.3V,。,相当于一理想开关。,2.,恒压降模型,1.,理想模型,15四、 二极管的电路模型 二极管是一种非线性器件，,16,五、 二极管应用电路,在电子技术中二极管电路得到广泛应用。基本电路有限幅电路、整流电路、钳位电路、开关电路等。,1.,整流电路,当,u,s,0,，,D,导通，,u,o,=,v,s,；,当,u,s,U,ON,时，,D,1,导通，,D,2,截止，,u,o,=0.7V,；,当,u,S, ,U,ON,时，,D,2,导通，,D,1,截止，,u,o,=0.7V,；,当,|,u,S,| 0,U,BC,U,B,U,E,PNP,型三极管应满足,:,U,EB, 0,U,CB,0,即,U,C,U,B,V,B,V,E,，,PNP,型有,V,C,V,B,U,B,U,E,。,+,+,i,B,i,C,u,BE,u,CE,I,C,I,B,(2),截止区,I,B,= 0,时,I,C,=,I,CEO,(,很小,),。,为了使三极管可靠截止，常使,U,BE,0,，截止时集电结也处于反向偏置,(,U,BC,0),，此时,I,C,0,。,38输出特性曲线(1) 放大区对 NPN 型管而言，应使 ，,39,(3),饱和区,当,U,CE,U,CES,0),，三极管工作于饱和状态。,在饱和区，,I,C,和,I,B,不成正比。,+,+,i,B,i,C,u,BE,u,CE,当三极管饱和时，,U,CE,0,，,C-E,间如同一个开关的接通；,当三极管截止时，,I,C,0,，,C-E,之间如同一个开关的断开；,可见，三极管除了有,放大作用,外，还有,开关作用,。,39(3) 饱和区 当 UCEUCES ,40,三极管结电压的典型值,+,+,i,B,i,C,u,BE,u,CE,40三极管结电压的典型值+iBiCuBEuCE,41,例,4.3,（,a,） （,b,） （,c,） （,d,）,（,e,） （,f,） （,g,） （,h,）,测得电路中三极管,3,个电极的电位如图所示。问哪些管子工作于放大状态，哪些处于截止、饱和、倒置状态，哪些已损坏？,41例4.3 （a） （b）,42,（,a,） （,b,） （,c,） （,d,）,（,a,）发射结、集电结均反偏，管子截止。,（,b,）发射结反偏、集电结正偏，管子截止。,（,c,）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。,（,d,）发射结、集电结均正偏，管子饱和。,42 （a） （b） （c）,43,（,e,）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。,（,f,）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。,（,g,）发射结偏、集电结均正偏，管子饱和。,（,h,）,V,BE,=2.7V,，远大于发射结正偏时的电压，,故管子已损坏。,43（e）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。（f）发射结正偏,44,4.,三极管的主要参数,（,1,）电流放大系数,直流放大系数,交流放大系数,在输出特性曲线近于平行等距并且,I,CEO,较小的情况下,可近似认为,i,C,u,CE,o,I,CEO,444.三极管的主要参数（1）电流放大系数直流放大系数交流放,45,（,2,）极间反向电流,1,）集,-,基极间反向饱和电流,I,CBO,A,+,I,CBO,U,CC,其大小取决于温度和少数载流子的浓度。,小功率锗管：,I,CBO,10,A,，,小功率硅管：,I,CBO,1,A,。,测量电路,2,）集,-,射极间反向饱和（穿透）电流,I,CEO,A,I,CEO,U,CC,I,CEO,=,（,1+,）,I,CBO,I,CEO,大的管子性能不稳定，通常把,I,CEO,作为判断管子质量的重要依据。,当工作环境温度变化范围较大时应选硅管。,45（2）极间反向电流1）集-基极间反向饱和电流ICBOA,46,（,3,）极限参数,1,）集电极最大允许电流,I,CM,当,值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流,I,CM,。,2,）集,射反相击穿电压,U,(BR)CEO,表示三极管电极间承受反向电压的能力。,当,U,CE,U,(BR)CEO,时，,I,CEO,，管子损坏。,46（3）极限参数1）集电极最大允许电流ICM 当,47,3,）集电极最大允许功率损耗,P,CM,P,CM,表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值，集电结会过热烧毁。,P,CM,=,i,C,u,CE,对大功率管为了提高,P,CM,，通常采用加散热装置的方法。,i,C,U,(BR)CEO,u,CE,P,CM,o,I,CEO,安,全,工,作,区,I,CM,473）集电极最大允许功率损耗PCMPCM表示集电结上允许损,48,5.,三极管的其它形式,1,）复合三极管,1,2,复合管的类型取决于,T,1,管,485. 三极管的其它形式1）复合三极管1 2复合管,49,2,）光电三极管和光电耦合器,将光信号转变为电流信号，且可将光电流放大,倍。,光电三极管,光电耦合器,实现电,-,光,-,电的传输和转换。,492）光电三极管和光电耦合器 将光信号转变为电流信,50,4.4,场效应管及其放大电路,绝缘栅型场效应管,共源极放大器,源极输出器,504.4 场效应管及其放大电路绝缘栅型场效应管,51,场效应管（,Fiedl Effect TransistorFET,）,是利用,电场效应来控制,的有源器件，它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具有输入电阻高（,MOSFET,最高可达,10,15,）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中得到广泛应用。,按结构，场效应管可分两大类：,结型场效应管（,JFET,）,绝缘栅型场效应管（,IGFET,）,51 场效应管（Fiedl Effect Tran,52,绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为金属（铝）栅极和半导体之间绝缘层 ，又称金属,-,氧化物,-,半导体场效应管，简称,MOSFET,( Metal-Oxide-Semiconductor FET),。,MOSFET,可分为,增强型, N,沟道、,P,沟道,耗尽型,N,沟道、,P,沟道,一、绝缘栅型场效应管,52 绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为,53,结构,1,）结构,N,沟道增强型,MOSFET,在,P,型半导体上生成一层,SiO,2,薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的,N,型区。,栅极,G,源极,S,漏极,D,衬底,B,1,、,N,沟道增强型,MOSFET,53结构1）结构 N沟道增强型MOSFET在P型半导体上生成,54,栅源电压,v,GS,的控制作用,形成,导电沟道,正电压,v,GS,产生的反型层把漏,-,源连接起来，形成宽度均匀的导电,N,沟道，自由电子是沟道内的主要载流子。,反型层刚形成时，对应的栅源电压,v,GS,称为开启电压，用,V,T,表示。,2,）工作原理,原理,1,54栅源电压vGS的控制作用形成导电沟道 正,55,漏源电压,v,DS,对漏极电流,i,D,的控制作用,v,GS,V,T,，加,v,DS,，形成,i,D,，且,i,D,与,v,DS,基本成正比。因,v,DS,形成电位差，使导电沟道为梯形。,v,DS,增大至,v,GD,=,v,GS,v,DS,V,T,，沟道被预夹断（漏端），管子进入饱和区。,原理,2,55漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用 vGS ,56,沟道预夹断后，,v,DS,继续增大，夹断点向源极方向移动，,i,D,略有增大。,v,GS,变化时，,v,GS,10,7,，,MOSFET,的,R,GS,10,9,。,5,）低频跨导,g,m,表征工作点,Q,上栅源电压,v,gs,对漏极电流,i,d,的控制作用大小的参数，单位是,mS,。,606）最大漏极功耗PDM4）直流输入电阻RGS、rds5）,61,二、 双极型和场效应型三极管的比较,61二、 双极型和场效应型三极管的比较,62,62,63,使用注意事项,：,（,1,）绝缘栅场效应管不能用万用表检查，必须用测试仪。使用四引线的场效应管，其衬底引线必须接地。,（,2,）保存场效应管时应将各电极短路，以免外电场作用使管子损坏。焊接时，电烙铁必须有外接地线，以防止烙铁带电而损坏管子。焊接绝缘栅场效应管时，要按源极,-,漏极,-,栅极的顺序焊接，并且最好断电后进行焊接。,63使用注意事项：,