《半导体器件j》PPT课件.pptVIP

1.21.2半导体二极管半导体二极管 1.31.3特殊二极管特殊二极管 1.41.4半导体三极管半导体三极管 1.51.5场效应管场效应管 1.1PN1.1PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1）受外界光照时电导率发生很大变化光敏性； 2）受外界热刺激时电导率发生很大变化热敏性； 3）掺进微量杂质，导电能力显著增加掺杂性。 1.1PN1.1PN结及其单向导电性结及其单向导电性 载流子可以自由移动的带电粒子。 根据物体导电能力的不同，划分为导体、绝缘体和半导 体。典型的半导体有硅Si和锗Ge等。 半导体的特点： +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4+4 T=0K时 本征半导体纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4+4 自由电子空穴 本征激发 复合 在常温下 成对出现 成对消失 本征半导体的载流子 空穴运动 结 论 1.本征半导体中存在数量相等的两种载 流子，即自由电子和空穴。 3.温度越高，载流子的浓度越高。因此 本征半导体的导电能力越强。 温度是影响半导体性能的一个重要的外 部因素，这是半导体的一大特点。 2.本征半导体的导电能力取决于载流子 的浓度。 杂质半导体: 杂质半导体 N型半导体 P型半导体 （三价） （五价） +4 +4 +4+4 +4 +4+4+4 （1）N型半导体 在硅或锗的 晶体中掺入少量 的五价元素,如 磷,则形成N型半 导体。 (电子型半导体) 磷原子 +4+5 多余价电子 自由电子 正离子 本征激发 +4 +4+4 +4 +4+4+4 空穴 （2）P型半导体 在硅或锗的晶体 中掺入少量的三 价元素,如硼,则 形成P型半导体 。 (空穴型半导 体) +4 +4 硼原子 填补空位 +3 负离子 本征激发 1.N型半导体中自由电子是多子，其中大部分是掺 杂提供的，本征半导体中受激产生的自由电子 只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形 成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要 是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。 2.P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。 结 论 P 区N 区 1. PN 1. PN 结的形成结的形成 N区的电子向P区扩散并与空穴复合 P区的空穴向N区扩散并与电子复合 空间电荷区 内电场方向 二、二、PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性 内电场方向 E 外电场方向 R I 2. PN 2. PN 结的单向导电性结的单向导电性 P 区N 区 外电场驱使P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷 N区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷 空间电荷区变窄 扩散运动增强，形 成较大的正向电流 （1）外加正向电压 R 2. PN 2. PN 结的单向导电性结的单向导电性 P 区N 区 空间电荷区变宽 （2）外加反向电压 E 外电场方向 内电场方向 少数载流子越过PN结 形成很小的反向电流 IR 1、空间电荷区中没有载流子又称耗尽层。 2、空间电荷区中内电场阻碍扩散运动的进 行。（扩散运动为多子形成的运动） 3、少子数量有限，因此由它们形成的电流很小。 4、PN结具有单向导电性。 正向偏置： P区加正、N区加负电压 多子运动增强，PN结导通 反向偏置：P区加负、N区加正电压 少子运动增强，PN结截止 结 论 1.2 半导体二极管 二极管 ：一个PN结就是一个二极管。 单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电 源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。 符号： 伏安特性 U I 死区电压 硅管 0.5V,锗管0.2V。 导通压降: 硅管0.60.7V, 锗管0.20.3V。 反向击穿电 压U(BR) 小结： （1）二极管正向电压很 小时，有死区。 （2）二极管正向导通时 管压降基本固定。导通电 阻很小。 （3）二极管反向截止时 ，反向电流很小，并几乎 不变，称反向饱和电流。 （4）反向电压加大到一 定程度二极管反向击穿。 O A C B D 半导体二极管的参数 (1) 最大整流电流IOM (2) 反向工作峰值电压UBWM (3) 反向峰值电流IRM 二极管加上反向峰值电压下的反向电流值。 二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击 穿电压。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压一 般是反向击穿电压的一半或三分之二。 U I 试求下列电路中的电流。（二极管为硅管） 分析、应用举例 二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅 、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 其中： US=5V，R=1K 解：电路中二极管处于导通状态 + - US R I 二极管为电流控制型元件，R是限流电阻。 例1 已知VA=3V， VB=0V， VDA 、VDB为锗管，求输 出端Y的电位并说明二极管的作用。 解： VDA优先导通，则 VY=30.3=2.7V VDA导通后, VDB因反偏而截止 ,起隔离隔离作用, VDA起钳位 钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2.7V。 VDA 12V Y A B VDB R 二极管导通后，管子上的管压降基本恒定。 例2 利用二极管的单向导电 性可作为电子开关 vI1 vI2 二极管工作状态 D1 D2 v0 0V 0V导通 导通 导通 截止 截止 导通 截止 截止 0V 5V 5V 0V 5V 5V 0V 0V 0V 5V 求vI1和vI2不同值组合时的v0 值（二极管为理想模型）。 解： 例3 两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起 取取 B B 点作参考点，点作参考点，断开二极管断开二极管， 分析二极管阳极和阴极的电位。分析二极管阳极和阴极的电位。 D D2 2 优先导通， 优先导通， D D 1 1 截止。截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路， U U ABAB = 0 V= 0 V 电路如左图 D D1 1 承受电压为承受电压为6 V6 V 流过流过 D D 2 2 的电流为的电流为 求：求： U U ABAB D D 2 2 起钳位作用， 起钳位作用， D D1 1 起隔离作用。起隔离作用。 B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + 6 V6 V 0 V0 V 12 V12 V 例4 VR Vm vi t 0 Vi VR时，二极管导通，vo=vi。 Vi 3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。 ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。 ViUU E E 集电结反偏集电结反偏 U U C C UU B B 测量晶体管特性的实验线路 发射极是输入回路、输出回路的公共端 发射极是输入回路、输出回路的公共端 共发射极电路 输入回路 输出回路 IC EB mA A V UCE UBE RB IB EC V + + + + 各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作用 I IB B (mA)(mA) I IC C (mA)(mA) I IE E (mA)(mA) 0 0 0.020.02 0.040.040.060.06 0.080.080.100.10 IC , IC饱和;UCES 0.3V称为饱和压降。 2.饱和区 条件:发射结 和集电结均 为正偏. IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)36912 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中特点 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC 。BE结正偏 ，BC结正偏 ，即UCEUBE （UCE0.3V ，UBE0.7V） (3) 截止区 UBEVbVe放大VcVbVe 例3 ： 测量放大电路中的三极管两个电极的电流，试判 断三极管管脚、类型。 例4 ： 半导体三极管的主要参数 1. 1. 电电电电流放大系数流放大系数， 直流电流放大系数直流电流放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数 也是设计电路、选用晶体管的依据。也是设计电路、选用晶体管的依据。 注意：注意： 和和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并 且且 I I CE0 CE0 较小的情况下，两者数值接近。 较小的情况下，两者数值接近。 常用晶体管的常用晶体管的 值在值在20 - 20020 - 200之间。之间。 在在 U U CECE= 6 V = 6 V时，在时，在 Q Q1 1 点 点 I IB B =40=40 A, A, I IC C =1.5mA=1.5mA； 在在 Q Q2 2 点 点 I IB B =60 =60 A,A, I IC C =2.3mA=2.3mA。 在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理： = = 。 I IB B =0=0 2020 A A 4040 A A 6060 A A 8080 A A 100100 A A 3 3 6 6 I IC C ( (m mA A ) ) 1 1 2 2 3 3 4 4 U U CECE(V) (V) 9 9 1212 0 0 Q Q1 1 Q Q2 2 在在 Q Q1 1 点，有 点，有 由由 Q Q1 1 和 和Q Q 2 2 点，得点，得 例5： 2.2.集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流 I I CBOCBO I I CBOCBO是由少数载流子的漂移 是由少数载流子的漂移 运动所形成的电流，受温度的运动所形成的电流，受温度的 影响大。影响大。 温度温度 I I CBOCBO ICBO A + EC 3.3.集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流( (穿透电流穿透电流) ) I I CEOCEO A ICEO IB=0 + I I CEOCEO受温度的影响大。 受温度的影响大。 温度温度 I I CEOCEO ， ，所以所以 I IC C 也相应也相应 增加。增加。三极管的温度特性较三极管的温度特性较 差。差。 I IC CU U CECE=P =PCM CM ICM U(BR)CEO 安全工作区 IC UCE O 4. 4. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 I I CMCM 集电极电流集电极电流 I IC C 上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，当值的下降，当 值下值下 降到正常值的三分之二时的集电极电流即为降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 I I CMCM。 。 5. 5. 集集- -射极反向击穿电压射极反向击穿电压 U U (BR)CEO(BR)CEO 当集当集射极之间的电压射极之间的电压 U U CE CE 超过一定的数值时，三极管就 超过一定的数值时，三极管就 会被击穿。手册上给出的数值是会被击穿。手册上给出的数值是2525 C C、基极开路时的击穿基极开路时的击穿 电压电压 U U (BR)(BR) CEOCEO。 。 6. 6. 集电极最大允许耗散功耗集电极最大允许耗散功耗 P P CMCM P PCM CM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过 取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过 高会烧坏三极管。高会烧坏三极管。 P P C C P P CM CM = =I I C C U U CECE 硅管允许结温约为硅管允许结温约为150150 C C，锗管约为，锗管约为7070 9090 C C。 本课应重点掌握的内容 1. 了解三极管的基本构造、工作原理; 2. 掌握三极管的特性曲线，理解主要参数的意义； 3. 掌握判断三极管的状态的方法； 结结 束束 结型场效应管 场效应晶体三极管是由一种载流子导 电的、用输入电压控制输出电流的半导 体器件。从参与导电的载流子来划分，它 有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电 的P沟道器件。 按照场效应三极管的 结构划分，有结型场效应 管和绝缘栅型场效应管两 大类。 1.结构 1.5 场效应管 2.工作原理 N 沟道 PN结 N沟道场效应管工作时 ，在栅极与源极之间加负 电压，栅极与沟道之间的 PN结为反偏。 在漏极、源极之间加一 定正电压，使N沟道中的多 数载流子(电子)由源极向 漏极漂移，形成iD。iD的大 小受UGS的控制。 P沟道场效应管工作时， 极性相反，沟道中的多 子为空穴。 2.工作原理 MOS管 （1） 结构 P NN GSD P型基底 两个N区 SiO2绝缘层 金属层 N沟道 未预留 N沟道增强型 预 留 N沟道耗尽型 金属-氧化物-半导体场效应管 绝缘栅型场效应管Metal Oxide Semiconductor （2）符号 N沟道增强型 N沟道耗尽型 （3） 工作原理 P NN GSD N沟道增强型N沟道耗尽型 N沟道MOS管的特性曲线 ID mA V UDS UGS 实验线路(共源极接法) G S D RD P NN GSD N沟道耗尽型 （UGS=0时， 有ID） G S D 0 UGS（off） ID UGS 夹断电压 UGS有正 有负 N沟道增强型 （UGS=0时， ID =0 ） G S D ID UGS UGS（th） 开启电压 UGS全正 IDSS UGS=3V U DS （V） ID（mA） 0 1 3 2 4 UGS=4V UGS=5V UGS=2V UGS=1V 开启电压UGS（th）=1V 固定一个U DS，画出ID和UGS 的关系曲线，称为转移特性 曲线 增强型NMOS场效应管 输出特性曲线 耗尽型NMOS场效应管 输出特性曲线 UGS=0V U DS （V） ID（mA） 0 1 3 2 4 UGS=+1V UGS=+2V UGS=-1V UGS=-2V 夹断电压UP=-2V 固定一个U DS，画出ID和UGS 的关系曲线，称为转移特性 曲线 UGS=0V U DS （V） ID（mA） 0 1 3 2 4 UGS=+1V UGS=+2V UGS=-1V UGS=-2V gm= ID / UGS =（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V UGS ID 夹断区 可变电阻区 恒流区 结结 束束 理解理解PNPN结结结结的的单单单单向向导电导电导电导电 性，三极管的性，三极管的电电电电流放大流放大 作用；作用； 了解二极管、了解二极管、稳压稳压稳压稳压 管和三极管的基本构造、管和三极管的基本构造、 工作原理和特性曲工作原理和特性曲线线线线，理解主要参数的意，理解主要参数的意义义义义 ； 会分析含有二极管的电路；会分析含有二极管的电路； 了解场效应管的工作原理。了解场效应管的工作原理。 注意注意: :对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标对于元器件，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。件的目的在于应用。 增强型MOS管特性 绝 缘 栅 场 效 应 管 N 沟 道 增 强 型 P 沟 道 增 强 型 耗尽型MOSFET的特性曲线 绝 缘 栅