1半导体器件BWU.ppt

1-1,电子技术 电工学ii,主讲 孙媛,第一章 半导体器件,1-3,第一章 半导体器件, 1.1 半导体的基本知识与pn结 1.2 二极管 1.3 稳压二极管 1.4 双极结型晶体管 1.5 场效晶体管 1.6 光电器件,1-4,1.1.1 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。,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。,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、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,1.1 半导体的基本知识与pn结,1-5,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变 (可做成各种不同用途的半导体器件，如二 极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏 二极管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,1-6,1.1.2 本征半导体,1-7,2. 本征半导体的导电机理,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。,1-8,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。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,1-9,1.1.3 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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,p 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,n 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,1-10,1-11,1-12,n 型半导体中的载流子是什么？,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,二、p 型半导体,p 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,一、n 型半导体,1-13,1.1.4 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。,1-14,p型半导体,n型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,1-15,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。,1-16,空间 电荷区,n型区,p型区,电位v,v0,1-17,1.1.5 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。,1-18,一、pn 结正向偏置,p,n,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,1-19,单向导电性 pn结加正向电压导通,当pn结加正向电压时，外电场与内电场方向相反，空间电荷区变窄，扩散运动加剧。由于电源的作用，扩散运动不断地进行，形成正向电流，正向电阻很小。,1-20,二、pn 结反向偏置,n,p,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,r,e,1-21,单向导电性 pn结加反向电压截止,当pn结加反向电压时，外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽，漂移运动加剧。由于电源的作用，漂移运动不断地进行，形成反向电流，其值非常小，可忽略。,1-22,1.2.1 基本结构,pn 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,二极管的电路符号：,1.2 二极管,1-23,1.2.2 伏安特性,死区电压 硅管0.6v,锗管0.2v。,导通压降: 硅管0.60.7v,锗管0.20.3v。,反向击穿电压ubr,1-24,二极管：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,例1.2.1 二极管半波整流,1.2.3 二极管的应用,1-25,例1.2.3,二极管门电路如图所示，设da、db为理想二极管，已知a、b端的电位分别为0v、3v和3v、0v，求输出端f的电位vf。,解：,当a、b端的电位为0v、3v时，二极管设da导通、db反偏截止；忽略正向压降，输出端f的电位vf为0v。,当a、b端的电位为3v、0v时，二极管设db导通、da反偏截止；忽略正向压降，输出端f的电位vf为0v。,1-26,1.3.1 稳压二极管,u,iz,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,uz,1.3 稳压二极管,1-27,（4）稳定电流iz、最大、最小稳定电流izmax、izmin。,（5）最大允许功耗,（1）稳定电压 uz,（3）动态电阻,1.3.2 稳压二极管的参数,1-28,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,例1.3.1,稳压管的技术参数:,负载电阻 。,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为izmax 。,求：电阻r和输入电压 ui 的正常值。,方程1,1-29,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,1-30,1.4.1 基本结构,基极,发射极,集电极,npn型,pnp型,1.4 双极结型晶体管,1-31,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,杂质浓度低,发射区：掺 杂浓度较高,1-32,发射结,集电结,1-33,npn型三极管,pnp型三极管,1-34,= icn/ibn ie=ibn+icn ic=icn+icb0 ib=ibn-icb0 ic= ibn+icb0 = (ib+icb0)+icb0= ib+(1+ )icb0 = ib+ice0 icbo集、基极间反向饱和电流 ice0穿透电流判断晶体管质量的好坏（ib=0） ic= ib,1-35,电流分配定律,前提：发射结正向偏置，集电结反向偏置 ic= ib ie=ic+ib=(1+ ）ib,1-36,1.4.3 特性曲线,ic,v,uce,ube,rb,ib,ec,eb,实验线路,1-37,一、输入特性,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。,1-38,二、输出特性,ic(ma ),此区域满足ic=ib称为线性区（放大区）。,当uce大于一定的数值时，ic只与ib有关，ic=ib。,1-39,此区域中uceube,集电结正偏，ibic，uce0.3v 称为饱和区。,1-40,此区域中 : ib=0, ic=iceo, ube 死区电压，称为截止区。,1-41,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： ic=ib , 且 ic = ib 0ibibs,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：uceube ， ibibs=vcc/ rc，uce0.3v,(3) 截止区： ube 死区电压， ib=0 ， ic=iceo 0,1-42,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？,当usb =-2v时：,ib=0 ， ic=0,ib 最大饱和电流： ib=vsc/ rc =12/50*6=0.04ma,q位于截止区,1-43,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？,ib ibs (=0.04ma) ， q位于放大区。,usb =2v时：,1-44,usb =5v时:,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？,q 位于饱和区，此时ic 和ib 已不是 倍的关系。,ibibs=0.04ma,1-45,三、主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为ib，相应的集电极电流变化为ic，则交流电流放大倍数为：,1. 电流放大倍数和 ,1-46,例：uce=6v时：ib = 40 a, ic =1.5 ma； ib = 60 a, ic =2.3 ma。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,1-47,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,结型场效应管jfet,绝缘栅型场效应管mos,场效应管有两种:,1.5 场效晶体管,1-48,1.5.2 绝缘栅场效应管,一、结构和电路符号,p型基底,两个n区,sio2绝缘层,导电沟道,金属铝,n沟道增强型,s-source,g-gate,d-drain,1-49,放大等效,1-50,截止等效,1-51,饱和等效,1-52,结论,1-53,1-54,1-55,1-56,二、mos管的工作原理,1-57,1-58,1-59,1-60,1-61,截止等效,1-62,1-63,饱和等效,1-64,n沟道增强型,1-65,n沟道耗尽型,1-66,p沟道增强型,1-67,p沟道耗尽型,1-68,三、增强型n沟道mos管的特性曲线,1. 转移特性曲线,ugs(th),开启电压,ido为ugs=2 ugs(th) 时的id值。,1-69,2. 输出特性曲线,ugs(th),1-70,1. 输出特性曲线,四、耗尽型n沟道mos管的特性曲线,输出特性曲线是指以ugs为参变量时,id和uds的关系。,id=f(uds)| ugs=常数,实验线路 (共源极接法),1-71,ugs=0v,ugs=+1v,ugs=+2v,夹断电压up=-2v,1-72,2. 转移特性曲线,转移特性曲线是指以uds为参变量时,id和ugs的关系。,id=f(ugs)| uds=常数,ugs(off),漏极饱和漏电流,idss,夹断电压,1-73,五 绝缘栅场效应管类型,一、n沟道增强型,p型基底,两个n区,sio2绝缘层,导电沟道,金属铝,n沟道增强型,s-source,g-gate,d-drain,1-74,n 沟道耗尽型,预埋了导电沟道,1-75,p 沟道增强型,1-76,p 沟道耗尽型,预埋了导电沟道,1-77,1.5.3 主要参数,1. 跨导,gm,2. 通态电阻,3. 最大漏、源极击穿电压,uds（br）,4. 漏极最大耗散功率,pdm,1-78,1.5.4 小信号模型,1-79,1.6.1 显示器件,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,1.6 光电器件,死区电压: 0.91.1v 工作电压: 0.91.1v 工作电流：515ma