《半导体器》PPT课件.ppt

主讲人：申凤娟 1 半导体器件 2 基本放大电 路及其分析 设计方法 6 模拟电子技 术的应用与 发展 3 放大电路的 频率响应与 负反馈技术 4 通用集成运 放及其应用5 波形发生电 路 7 直流稳压电 源 CONTENTS 内容大纲 C 2 第一章 3 第一章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管及其应用 1.3 半导体三极管 1.4 场效应晶体管 1.5 晶闸管 4 1.1.1 1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 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10-610-3） 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1091020） 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10-3109） 。 5 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 1.1.2 1.1.2 本征半导体本征半导体 6 共价键 价电子共有化，形成共价键的晶格结构 本征半导体 的结构及导 电机理（以 硅Si为例） 1.1.2 1.1.2 本征半导体本征半导体 7 半导体中有两种载流子:自由电子和空穴 自由电子 空穴 1.1.2 1.1.2 本征半导体本征半导体 8 在外电场作用下，电子的定向移动形成电流 + + + + + + + + - - - - - - - - 1.1.2 1.1.2 本征半导体本征半导体 9 在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流 + + + + + + + + - - - - - - - - 1.1.2 1.1.2 本征半导体本征半导体 10 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。 1.1.2 1.1.2 本征半导体本征半导体 11 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. 1.1.3 1.1.3 杂质半导体杂质半导体 12 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。 1.1.3 1.1.3 杂质半导体杂质半导体 13 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！ 1.1.4 PN1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 14 在交界面，由于两种载流子的浓度差，出 产生扩散运动。 I扩 1.1.4 PN1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 15 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 1.1.4 PN1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 16 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 1.1.4 PN1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 17 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。 18 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。 1.1.4 PN1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 19 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。 1.1.4 PN1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 20 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。 1.1.4 PN1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 21 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， IS 为反向饱和电流， UT26mV， 1.1.4 PN1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 22 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Cb。 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Cd。 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！ 1.1.4 PN1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 23 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： PN 阳极阴极 24 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 1.2.1 1.2.1 基本结构基本结构 25 大头负极 小头正极 1.2.1 1.2.1 基本结构基本结构 26 材料开启电压电压导导通电压电压反向饱饱和电电流 硅Si0.5V0.50.8V1A以下 锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A 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。 1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性 27 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IS，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 1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性 28 理想 二极管 近似分析 中最常用 理想开关 导通时 UD0 截止时IS0 导通时UDUon 截止时IS0 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？ 1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性 29 k 阴极阳极a 理想开关 导通时 UD0 截止时IS0 折线化理想模型 1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性 30 （硅二极管典型值） （锗 二极管典型值） 导通压降： 导通时UDUon 截止时IS0 1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性 折线化恒压降模型 31 直线斜率：1/ rD rD=U / I I=V / R，忽略导通电压； I=（VUon ）/ R，考虑导通电压； I=(VUon )/( RrD)，考虑导通电压和 斜率变化。 导通时i与u 成线性关系 折线化折线模型 1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性 32 例题1：电路图如下图 所示，二 极管D为硅二极管求U0 开关断开时 开关闭合时 应根据不同情况选择不同的等效电路！ 1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性 33 2）微变等效电路 Q越高，rd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。 ui=0时直流电源作用 小信号作用 静态电流 1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性 34 1. 最大整流电流 IF 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) 二极管反向击击穿时时的电压值电压值 。击击穿时时反 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UR一般是U(BR)的一半。 1.2.3 1.2.3 主要参数主要参数 35 3. 反向电流 IR 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fM 二极管的上限频率 1.2.3 1.2.3 主要参数主要参数 36 t t u o 0 u i 0 D ui uo RL 应用一：画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。 整流二极管！ 1.2.4 1.2.4 二极管的应用二极管的应用 37 应用二：画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V） 。 0.7V 0.7V -3V 钳位二极管！ 1.2.4 1.2.4 二极管的应用二极管的应用 38 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UZ、稳定电流IZ 最大功耗PZM IZM UZ动态电阻rzUZ /IZ 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？ 1.2.5 1.2.5 特殊二极管特殊二极管 39 应用三： RL为负载电阻，R限流电阻 当UI变化时，由于稳压管的作用，输出UO不变。 1.2.5 1.2.5 特殊二极管特殊二极管 40 光电二极管 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。 1.2.5 1.2.5 特殊二极管特殊二极管 41 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。 1.2.5 1.2.5 特殊二极管特殊二极管 发光二极管 42 小功率管 中功率管 大功率管 1.3 半导体三极管 43 1.3.1 基本结构与类型 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。44 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 1.3.2 电流放大原理 45 扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电 流IB，漂移运动形成集电极电流IC。 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 1.3.2 电流放大原理 46 IB B E C N N P VB RB Vcc IE IC IC 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: 1.3.2 电流放大原理 47 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？ 1.3.2 电流放大原理 48 UCE IC + - UBE IB + - 实验线路 mA A VVRB EC EB R C 1.3.3 特性曲线 49 1. 输入特性IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 工作压降： 硅管 UBE0.60.7V,锗管 UBE0.20.3V。 死区电 压，硅管 0.5V，锗 管0.2V。 1.3.3 特性曲线 50 2. 输出特性 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)36912 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域满 足IC=IB 称为线性 区（放大 区）。 IC只与IB有关 ，IC=IB。 1.3.3 特性曲线 51 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)36912 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中UCEUBE, 集电结正偏， IBIC，UCE0.3V 称为饱和区。 2. 输出特性 1.3.3 特性曲线 52 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)36912 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中 : IB=0,IC=ICEO, UBEIC，UCE0.3V (3) 截止区： UBEUGS（off） uGD0时 UGS排斥空 穴，形成耗 尽层。 1.4.2 1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 70 P NN GSD UDSUGS UGS0时 UGS足够大时（ UGSUGS(th)）， 出现以电子导电 为主的N型导电 沟道。 吸引电子 VGS(th)称为开启电压 1.4.2 1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 71 P NN GSD UDSUGS 导电沟道在 两个N区间是 均匀的。 当UDS增大 时，靠近D 区的导电沟 道变窄。 1.4.2 1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 72 P NN GSD UDSUGS 夹断后，即使 UDS 继续增加 ，ID仍呈恒流 特性。 ID UDS增加，UGD= UGS(th)时 ，靠近D端的沟道被夹 断，称为预夹断。 1.4.2 1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 73 D P型衬底 N+N+ B GS VGG VDD P型衬底 N+N+ B GSD VGG VDD P型衬底 N+N+ B GSD VGG VDD 夹断区 (a) UGD UGS (th) (b) UGD = UGS(th) (c) UGD UGS(th) 时) 三个区：可变电阻区 、恒流区(或饱和区)、击 穿区。 UGS(th) 2UGS(th) IDO UGS /V ID /mA O 1.4.2 1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 75 N PP GSD G S D P 沟道增强型 1.4.2 1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 76 2. N 沟道耗尽型 MOS 场效应管 P型衬底 N+N+ B GSD + 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 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。 + UGS = 0，UDS 0，产生 较大的漏极电流； UGS 0； UGS 正、负、 零均可。 ID/mA UGS /VOUP (a)转移特性 IDSS (b)漏极特性 ID/mA UDS /V O +1V UGS=0 -3 V -1 V -2 V 4 3 2 1 5101520 1.4.2 1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 78 一、直流参数 1. 饱和漏极电流 IDSS 2. 夹断电压 UP 3. 开启电压 UT 4. 直流输入电阻 RGS 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 107 以上，