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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 4PN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 5PN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 6 0 7V 锗管0 2 0 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 IBNIE IBN ICNIC ICN ICB0IB IBN ICB0IC IBN ICB0 IB ICB0 ICB0 IB 1 ICB0 IB ICE0ICBO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 IBIE 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UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 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UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 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 IB0 IB IBS 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 即 UCE UBE IB IBS VCC RC UCE 0 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 IB IBS 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 5mA IB 60 A IC 2 3mA 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 2UGS 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 9 1 1V工作电压 0 9 1 1V工作电流 5 15mA反