电路与电子学学习课件半导体二极管三极管和场效应管学习课件教学课件.ppt

第4章半导体二极管 三极管和场效应管 4 2半导体二极管 4 3双极型晶体管 4 4场效应管 4 1半导体的导电特性 在热力学温度零度和没有外界激发时 本征半导体不导电 把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体 它是共价键结构 本征半导体的共价键结构 4 1 1本征半导体 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 1半导体的导电特性 4 4 4 4 4 4 4 4 4 自由电子 空穴 在常温下自由电子和空穴的形成 成对出现 成对消失 4 4 4 4 4 4 4 4 4 外电场方向 空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流 故半导体中有电子和空穴两种载流子 在外电场作用下 电子和空穴均能参与导电 价电子填补空穴 4 4 4 4 4 4 4 4 4 1 2p半导体和n型半导体 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 多余价电子 n型半导体结构示意图 在n型半导中 电子是多数载流子 空穴是少数载流子 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 4 p型半导体结构示意图 在p型半导中 空穴是多数载流子 电子是少数载流子 p区 n区 4 1 3pn结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上 形成p型半导体区域和n型半导体区域 在这两个区域的交界处就形成了一个pn结 内电场方向 空间电荷区 p区 n区 在一定的条件下 多子扩散与少子漂移达到动态平衡 空间电荷区的宽度基本上稳定下来 内电场方向 r 4 1 4pn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 1 外加正向电压 内电场方向 r p区 n区 扩散运动增强 形成较大的正向电流 外加正向电压 p区 n区 内电场方向 r 2 外加反向电压 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 少数载流子越过pn结形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行 1 pn结加正向电压 pn结所处的状态称为正向导通 其特点 pn结正向电流大 pn结电阻小 相当于开关闭合 pn结的单向导电性 2 pn结加反向电压 pn结所处的状态称为反向截止 其特点 pn结反向电流小 pn结电阻大 相当于开关打开 3 伏安特性 令 则 1 雪崩击穿材料掺杂浓度较低的pn结中 当pn结反向电压增加时 空间电荷区中的电场随着增强 这样通过空间电荷区的电子和空穴就会在电场作用下获得能量增大 在晶体中运行的中子和空穴将不断的与中性原子发生碰撞 通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来 产生自由电子 空穴对 新产生的载流子在电场作用下再去碰撞其他中性原子 又产生的自由电子空穴对 如此连锁反应使得阻挡层中的载流子的数量急剧增加 因而流过pn结的反向电流就急剧增大 2 齐纳击穿 隧道击穿 当pn结两边的掺杂浓度很高时 阻挡层将变很薄 在这种阻挡层中 载流子与中性原子相碰撞的机会极小 因而不容易发生碰撞 显然 强电场直接将si si共价键电子拉开成为自由电子产出大量的载流子 使pn结的反向电流剧增 呈现反向击穿现象 齐纳击穿一般发生在低反压 高掺杂的情况下 pn结的击穿特性 4 1 5pn结电容 pn结电容 势垒电容 扩散电容 1 势垒电容 pn结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容 用cb来表示 势垒电容不是常数 与pn结的面积 空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关 载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容 用cd与来示 pn正偏时 扩散电容较大 反偏时 扩散电容可以忽略不计 2 扩散电容 点接触型二极管 4 2 1二极管的结构和符号 4 2半导体二极管 600 400 200 0 1 0 2 0 0 4 0 8 50 100 i ma u v 正向特性 反向击穿特性 硅管的伏安特性 4 2 2二极管的伏安特性 u i u f i 正向特性 二极管加正向电压 反向特性 二极管加反向电压 对于理想二极管 4 2 3二极管的主要参数 1 最大整流电流iom 2 反向工作峰值电压urm 3 反向峰值电流irm 例1 下图中 已知va 3v vb 0v da db为锗管 求输出端y的电位并说明二极管的作用 解 da优先导通 则 vy 3 0 2 2 8v da导通后 db因反偏而截止 起隔离作用 da起钳位作用 将y端的电位钳制在 2 8v 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 0 2v 阳极与阴极电位差大于或等于管子的正向压降且电位差大者优先导通 d e3v r ui uo ur ud 例2 下图是二极管限幅电路 d为理想二极管 ui 6sin tv e 3v 试画出uo波形 t t ui v uo v 6 0 0 2 ur t 6 0 2 例3 双向限幅电路 t 0 d1 e3v r d2 e3v ui uo ur ud ui v uo v 4 2 4稳压管 if uf 0 伏安特性 稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管 工作在反向击穿区 0 稳压管的主要参数 2 最小稳定电流imin 3 最大稳定电流izmax 4 动态电阻rz iz uz 5 电压温度系数 vzt 6 最大允许耗散功率pm if uf imin izmax uz 工作在反向击穿区 电流变化大 电压几乎不变 稳压管等效电路 与书上图4 19的联系 例题 已知ui 10sin tv uz 5 5v 稳压值 正向压降为0 7v 试画出uo波形 dz uz r ui uo ur t t ui v uo v 10 0 0 2 解 基本稳压电路 n型硅 n p型硅 4 3 1半导体三极管的结构 a 平面型 4 3双极型晶体管 晶体三极管 常称晶体管 是在一块半导体 锗或硅 上通过掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的pn结 并引出3个电极而构成的 如图所示 1 npn型三极管 集电区 集电结 基区 发射结 发射区 n n 集电极c 基极b 发射极e 三极管的结构分类和符号 p 晶体管有3个区 发射区 发射载流子的区域 基区 传输载流子的区域 集电区 收集载流子的区域 集电区 集电结 基区 发射结 发射区 c b e n 集电极c 发射极e 基极b n p p n 2 pnp型三极管 结构特点 1 发射区掺杂浓度远大于集电区掺杂浓度 集电区掺杂浓度大于基区掺杂浓度 2 基区必须很薄 这种结构上的特点是晶体管放大作用的基础 ec rc ic uce c e b ube 共发射极接法放大电路 4 3 2三极管的电流控制作用 三极管具有电流控制作用的外部条件 1 发射结正向偏置 加正向电压 2 集电结反向偏置 加反向电压 eb rb ib npn型三极管的三种组态 ic n p n 三极管的电流控制原理 vcc rc vbb rb c b e 载流子的传输过程1 发射区向基区注入电子2 注入电子在基区边扩散边复合3 集电区收集扩散来的电子4 集电结两边少子的漂移 由于基区很薄 掺杂浓度又很小 电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量 所以 ic ib 同样有 ic ib 所以说三极管具有电流控制作用 也称之为电流放大作用 电流关系 ie ib ic ic ib 直流电流放大系数 ec rc ic uce c e b ube 共发射极接法放大电路 三极管具有电流控制作用的外部条件 1 发射结正向偏置 2 集电结反向偏置 对于npn型三极管应满足 公共端 eb rb ib ie ube 0 ubc 0 即vc vb ve ec rc ic uce c e b ube 共发射极接法放大电路 三极管具有电流控制作用的外部条件 1 发射结正向偏置 2 集电结反向偏置 对于pnp型三极管应满足 公共端 eb rb ib ie 即vc vb ve ubc 0 ube 0 与npn型管电源极性不同 电流方向不同 uce 1v 1 三极管的共射输入特性 4 3 3三极管的特性曲线 ec rc ic uce c e b ube 公共端 eb rb ib ie p书图4 28 ib 40 a ib 60 a ib 20 a 2 三极管的输出特性 ic ma uce v 0 三极管输出特性上的三个工作区 ib 0 a 20 a 40 a 60 a 80 a ic小 共发射极接法放大电路 1 发射结正向偏置 2 集电结反向偏置 对于npn型三极管应满足 vc vb ve且ic ib 对于pnp型三极管应满足 vc vb ve且ic ib 一 放大状态 条件 特征 3 三极管在三个区的工作状态 二 饱和状态 集电结 发射结均反向偏置 即ube 0 1 ib增加时 ic基本不变 且ic uc rc 2 uce 0 晶体管c e之间相当于短路 三 截止状态 即uce ube 1 ib 0 ic 0 2 uce ec 晶体管c e之间相当于开路 共发射极接法放大电路 条件 特征 1 发射结正向偏置 2 集电结正向偏置 条件 特征 4 3 4三极管的主要参数 1 电流放大系数 1 直流电流放大系数 2 交流电流放大系数 2 穿透电流iceo 3 集电极最大允许电流icm 4 集 射反相击穿电压u br ceo 5 集电极最大允许耗散功率pcm 硅管 60 a 0 20 a 1 5 2 3 在输出特性上求 设uce 6v ib由40 a加为60 a ic ma uce v ib 40 a 6 重点 1 三极管的三种工作状态 2 电流关系 ie ib icic ib 0 ib 0 a 20 a 40 a 60 a 80 a 由三极管的极限参数确定安全工作区 ic ma uce v iceo 4 4 1金属 氧化物 半导体场效应管 绝缘栅型场效应管metaloxidesemiconductor mosfet分为增强型 n沟道 p沟道耗尽型 n沟道 p沟道 n沟道p沟道增强型 n沟道p沟道耗尽型 4 4场效应管 根据三极管的原理开发出的新一代放大元件 有3个极性 栅极 漏极 源极 它的特点是栅极的内阻极高 采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧 属于电压控制型器件 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 结构示意图 一 n沟道增强型绝缘栅场效应管 1 结构和符号 耗尽型 存在导电沟道 增强型 没有导电沟道 如果在栅 源极间加上一个正电源ugg 并将衬底与源极相连 如图所示 此时 栅极 金属 和衬底 p型硅片 相当于以二氧化硅为介质的平板电容器 在正栅源电压ugs 即栅 衬底电压ugu 的作用下 介质中便产生一个垂直于p型衬底表面的由栅极指向衬底的电场 从而将衬底里的电子感应到表面上来 当ugs较小时 感应到衬底表面上的电子数很少 并被衬底表层的大量空穴复合掉 直至ugs 增加超过某一临界电压时 介质中的强电场才在衬底表面层感应出 过剩 的电子 于是 便在p型衬底的表面形成一个n型层 称为反型层 这个反型层与漏 源的n 区之间没有pn结阻挡层 而具有良好的接触 相当于将漏 源极连在一起 若此时加上漏源电压uds 就会产生id 形成反型层的临界电压 称为栅源阈电压 或称为开启电压 用ugs th 表示 这个反型层就构成源极和漏极的n型导电沟道 由于它是在电场的感应下产生的 故也称为感生沟道 显然 n型导电沟道的厚薄是由栅源电压ugs的大小决定的 改变ugs 可以改变沟道的厚薄 也就是能够改变沟道的电阻 从而可以改变漏极电流id的大小 于是 我们得出结论 栅源电压ugs能够控制漏极电流id 结构示意图 耗尽层 s g d uds id 0 d与s之间是两个pn结反向串联 无论d与s之间加什么极性的电压 漏极电流均接近于零 2 工作原理 1 ugs 0 栅源电压vgs的控制作用 p型硅衬底 n b s g d 耗尽层 id 0 2 0 ugs ugs th 通过栅极和衬底间的电容作用 将栅极下方p型衬底表层的空穴向下排斥 同时 使两个n区和衬底中的自由电子吸向衬底表层 并与空穴复合而消失 结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层 漏源间仍无载流子的通道 管子仍不能导通 处于截止状态 ugs n n uds p型硅衬底 n b s g d 耗尽层 栅极下p型半导体表面形成n型导电沟道 当d s加上正向电压后可产生漏极电流id 3 ugs ugs th n n ugs 漏源电压vds对沟道导电能力的影响 当vgs vt且固定为某值的情况下 若给漏源间加正电压vds则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区 形成漏极电流id 当id从d s流过沟道时 沿途会产生压降 进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀 源极端电压最大 为vgs 由此感生的沟道最深 离开源极端 越向漏极端靠近 则栅 沟间的电压线性下降 由它们感生的沟道越来越浅 直到漏极端 栅漏 间电压最小 其值为 vgd vgs vds 由此感生的沟道也最浅 可见 在vds作用下导电沟道的深度是不均匀的 沟道呈锥形分布 若vds进一步增大 直至vgd vt 即vgs vds vt或vds vgs vt时 则漏端沟道消失 出现预夹断点 a 当vds为0或较小时 vgd vt 此时vds基本均匀降落在沟道中 沟道呈斜线分布 当vds增加到使vgd vt时 漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况 称为预夹断 源区的自由电子在vds电场力的作用下 仍能沿着沟道向漏端漂移 一旦到达预夹断区的边界处 就能被预夹断区内的电场力扫至漏区 形成漏极电流 当vds增加到使vgd vt时 预夹断点向源极端延伸成小的夹断区 由于预夹断区呈现高阻 而未夹断沟道部分为低阻 因此 vds增加的部分基本上降落在该夹断区内 而沟道中的电场力基本不变 漂移电流基本不变 所以 从漏端沟道出现预夹断点开始 id基本不随vds增加而变化 4 3 2 1 0 5 10 15 ugs 5v 6v 4v 3v 2v id ma uds 10v 增强型nmos管的特性曲线 0 1 2 3 2 4 6 ugs v 3 特性曲线 ugs th 输出特性 转移特性 uds v id ma 可变电阻区 ugs不变 id与uds成正比 漏源之间相当于一个可变电阻 4 3 2 1 0 5 10 15 ugs 5v 6v 4v 3v 2v id ma uds 10v 增强型nmos管的特性曲线 0 1 2 3 2 4 6 ugs v 3 特性曲线 ugs th 输出特性 转移特性 uds v id ma 饱和区 uds大于一定值 在ugs一定 id几乎不变 id受ugs的控制 4 3 2 1 0 5 10 15 ugs 5v 6v 4v 3v 2v id ma uds 10v 增强型nmos管的特性曲线 0 1 2 3 2 4 6 ugs v 3 特性曲线 ugs th 输出特性 转移特性 uds v id ma 击穿区 uds过大 id急剧增加 4 3 2 1 0 5 10 15 ugs 5v 6v 4v 3v 2v id ma uds 10v 增强型nmos管的特性曲线 0 1 2 3 2 4 6 ugs v 3 特性曲线 ugs th 输出特性 转移特性 uds v id ma 转移特性 id f ugs uds 常数 结构示意图 二 n沟道耗尽型绝缘栅场效应管 p型硅衬底 源极s 漏极d 栅极g 衬底引线b 耗尽层 1 结构特点和工作原理 n n sio2 制造时 在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子 n沟道耗尽型mos管 它是在栅极下方的sio2绝缘层中掺入了大量的金属正离子 在管子制造过程中 这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层 形成了导电沟道 因此 使用时无须加开启电压 vgs 0 只要加漏源电压 就会有漏极电流 当vgs 0时 将使id进一步增加 vgs 0时 随着vgs的减小id逐渐减小 直至id 0 对应id 0的vgs值为夹断电压vp 4 3 2 1 0 4 8 12 ugs 1v 2v 3v 输出特性 转移特性 耗尽型nmos管的特性曲线 1 2 3 0v 1 0 1 2 1 2 3 ugs v 2 特性曲线 id ugs ugs off uds v uds 10v id ma id ma n型硅衬底 n b s g d 耗尽层 pmos管结构示意图 p沟道 p沟道绝缘栅场效应管 pmos pmos管与nmos管互为对偶关系 使用时ugs uds的极性也与nmos管相反 p p ugs uds id 1 p沟道增强型绝缘栅场效应管 开启电压ugs th 为负值 ugs ugs th 时导通 2 p沟道耗尽型绝缘栅场效应管 夹断电压ugs off 为正值 ugs ugs off 时导通 在uds 0时 栅源电压与栅极电流的比值 其值很高 绝缘栅场效应管的主要参数 1 开启电压ugs th 指在一定的uds下 开始出现漏极电流所需的栅源电压 它是增强型mos管的参数 nmos为正 pmos为负 2 夹断电压ugs off 指在一定的uds下 使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压 是耗尽型mos管的参数 nmos管是负值 pmos管是正值 3 直流输入电阻rgs dc 4 低频跨导gm uds为常数时 漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导 即 另外 漏源极间的击穿电压u br ds 栅源极间的击穿电压u br gs以及漏极最大耗散功率pdm是管子的极限参数 使用时不可超过 跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号 现行有两种命名方法 其一是与双极型三极管相同 第三位字母j代表结型场效应管 o代表绝缘栅场效应管 第二位字母代表材料 d是p型硅 反型层是n沟道 c是n型硅p沟道 如 3dj6d是结型n沟道场效应三极管 3do6c是绝缘栅型n沟道场效应三极管 第二种命名方法是cs cs代表场效应管 以数字代表型号的序号 用字母代表同一型号中的不同规格 例如cs14a cs45g等 1 结构 4 4 2结型场效应管 jfet 2 工作原理 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vgs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 栅源电压vgs对id的控制作用 当vgs 0时 pn结反偏 耗尽层变厚 沟道变窄 沟道电阻变大 id减小 vgs更负 沟道更窄 id更小 直至沟道被耗尽层全部覆盖 沟道被夹断 id 0 这时所对应的栅源电压vgs称为夹断电压vp 漏源电压vds对id的影响 在栅源间加电压vgs vp 漏源间加电压vds 则因漏端耗尽层所受的反偏电压为vgd vgs vds 比源端耗尽层所受的反偏电压vgs大 如 vgs 2v vds 3v vp 9v 则漏端耗尽层受反偏电压为 5v 源端耗尽层受反偏电压为 2v 使靠近漏端的耗尽层比源端厚 沟道比源端窄 故vds对沟道的影响是不均匀的 使沟道呈楔形 当vds增加到使vgd vgs vds vp时 在紧靠漏极处出现预夹断点 随vds增大 这种不均匀性越明显 当vds继续增加时 预夹断点向源极方向伸长为预夹断区 由于预夹断区电阻很大 使主要vds降落在该区 由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极 形成漏极饱和电流 3 结型场效应管的特性曲线1 输出特性曲线输出特性曲线是一簇ugs固定为不同值时的id uds关系曲线 即 输出特性曲线 恒流区 又称饱和区或放大区 特点 1 受控性 输入电压vgs控制输出电流 2 恒流性 输出电流id基本上不受输出电压vds的影响 用途 可做放大器和恒流源 条件 1 源端沟道未夹断 2 源端沟道予夹断 可变电阻区 特点 1 当vgs为定值时 id是vds的线性函数 管子的漏源间呈现为线性电阻 且其阻值受vgs控制 2 管压降vds很小 用途 做压控线性电阻和无触点的 闭合状态的电子开关 条件 源端与漏端沟道都不夹断 夹断区 用途 做无触点的 接通状态的电子开关 条件 整个沟道都夹断 击穿区 当漏源电压增大到时 漏端pn结发生雪崩击穿 使id剧增的区域 其值一般为 20 50 v之间 由于vgd vgs vds 故vgs越负 对应的vp就越小 管子不能在击穿区工作 特点 从结型场效应管正常工作时的原理可知 结型场效应管栅极与沟道之间的p n结是反向偏置的 因此 栅极电流ig 0 输入阻抗很高 漏极电流受栅 源电压vgs控制 所以场效应管是电压控制电流器件 预夹断前 即vds较小时 id与vds间基本呈线性关系 预夹断后 id趋于饱和 p沟道结型场效应管工作时 电源的极性与n沟道结型场效应管的电源极性相反 结型场效应管的特性小结