电子技术第一章(半导体技术)PPT课件.ppt

第一章半导体二极管和三极管 1 0半导体器件的种类及发展 DiodeandDiodeCircuits 1 2PN结及其单向导电性 1 3半导体二极管 1 4稳压管 1 5半导体三极管 1 1半导体的基本知识 1 0半导体器件的种类及发展 种类 二极管 Diode 三极管 BJT 集成电路 IC IntegratedCircuit 场效应管 MOSFET 1 1906年电子管发明 进入电子时代 发展 2 1948年晶体管问世 半导体器件 3 60年代集成电路出现 进入信息时代 1 第一代电子器件 电子管 真空管 1906年 福雷斯特 LeeDeFordst 等发明 可实现整流 稳压 检波 放大 振荡等多种功能电路 电子管体积大 重量重 寿命短 耗电大 世界上第一台计算机用1 8万只电子管 占地170m2 重30t 耗电150kW 2 第二代电子器件 晶体管 半导体三极管 1948年 肖克利 W Shckly 等发明 比真空管的体积更小 重量更轻 功耗更低 在许多领域已经取代了真空管 3 第三代电子器件 集成电路 IC 1958年 基尔白等设想将管子 元件和线路集成封装在一起 三年后 集成电路实现了商品化 1 1半导体的基本知识 导体 绝缘体 半导体 Semiconductor 导体 绝缘体 半导体 很容易传导电流的物质 如 铜 铝等 几乎不能传导电流的物质 如 塑料 橡胶等 其导电性能介于导体和绝缘体之间的物质 如 硅 锗以及大多数金属氧化物和硫化物 特点 导电能力可控 受控于光 热 杂质等 典型半导体材料 硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 有些半导体对温度的反映特别灵敏 环境温度增高时 它的导电能力要增强很多 利用该特性可作成热敏元件 半导体温度传感器等 有些半导体 如硫化镉 受到光照时 它的导电能力变得很强 当无光照时 有变得象绝缘体那样不导电 利用该特性作成了各种光电元件 光敏元件 如果在纯净的半导体中渗入微量的某种杂质后 它的导电能力增加十万倍乃至几百万倍 利用该特性就作成了各种不同用途的半导体器件 半导体材料受到了人们的特别的重视 半导体为何有如此悬殊的导电特性呢 一 本征半导体 IntrinsicSemiconductor 纯净无掺杂的半导体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99 9999999 常称为 九个9 硅 锗材料具有晶体结构 所以半导体又称为晶体 这就是晶体管名称的由来 本征半导体是指完全纯净的 具有晶体结构的半导体 Si Ge均为4价元素 1 共价键 covalentbond 结构 空间排列有序的晶体 crystal 硅原子 Si 2 本征激发 a 绝对零度 无外界激发时 不存在自由电子 相当于绝缘体 温度对半导体器件性能影响很大 价电子受到热或光的激励 共价键的价电子被束缚 较稳定 时 有少量价电子能挣脱共价键的束缚而成为自由电子 在原来的位置上留下一个空位 称为空穴 3 空穴和自由电子的形成 空穴运动的方向与价电子运动的方向相反 因此空穴运动相当于正电荷的运动 空穴带正电 自由电子 空穴 空穴和自由电子总是成对出现的 半导体中同时存在着电子导电和空穴导电 在一定温度下 载流子 自由电子和空穴 的产生和复合达到动态平衡 维持一定数目 自由电子和空穴 称为载流子 Carrier 运载电流的粒子 本征半导体中 自由电子和空穴成对产生 不断复合 recombination 整个半导体对外呈电中性 不显示电性 温度越高 载流子的数目就越多 导电性能也就越好 本征半导体特点 电子浓度 空穴浓度 载流子少 导电性差 温度稳定性差 杂质半导体 ExtrinsicSemiconductor 在本征半导体中掺入某些少量杂质 使其导电能力大大增加 二 N型半导体和P型半导体 1 N型半导体 N typesemiconductor 当磷原子给出了多余价电子后 磷原子本身失去电子而成为正离子 但在产生自由电子的同时 并不产生空穴 这不同于本征半导体 自由电子数远大于空穴数 这样的一种半导体将以自由电子导电为主 所以自由电子称为多数载流子 简称多子 而空穴称为少数载流子 简称少子 这种在本征半导体中掺入微量五价元素 使自由电子浓度大大增加的半导体称为N型半导体 或称电子半导体 2 P型半导体 空穴半导体 P typesemiconductor 在本征半导体中掺入微量的三价元素 可使半导体中的空穴浓度大为增加 形成P型半导体 当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时 就有可能填补这个空位 使硼原子成为不能移动的负离子 而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子 形成了空穴 但在产生空穴的同时并不产生新的自由电子 只是原来的硅晶体本身仍会产生少量的电子空穴对 此时空穴数远大于自由电子数 在这种半导体中以空穴导电为主 称空穴为多数载流子 而自由电子为少数载流子 同时称这种在本征半导体中掺入微量三价元素 使空穴浓度大大增加的半导体为P型半导体 空穴半导体 杂质对半导体导电性的影响 载流子数目剧增 以上三个浓度基本上依次相差106 cm3 一 PN结的形成 1 2PN结及其单向导电性 随着P型区大批空穴扩散到N区与电子复合 N区大批电子扩散到P区中与空穴复合 使交界面附近只留下不能移动的正负电荷 正负电荷相互作用 形成一个电场 方向N区指向P区 由于这个电场不是外加电压形成的 故称为内电场 built inpotentialbarrier 内电场 这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷 它们集中在P区和N区交界面附近 形成了一个很薄的空间电荷区 Spacechargeregion 这就是PN结 空间电荷区 在这个区域内 多数载流子已扩散到对方并复合掉了 或者说消耗尽了 因此空间电荷区有时又称为耗尽层 Depletionlayer 它的电阻率很高 扩散越强 空间电荷区越宽 在内电场作用下 多子扩散 Diffusion 受阻 而这个电场有利于N区的少数载流子空穴向P区漂移 Drift P区的少数载流子电子向N区漂移运动 漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反 当扩散和漂移作用相互抵消时 便达到动态平衡 复合 阻止多子扩散 增强少子漂移 PN结 耗尽层 空间电荷区 结合 浓度差 多子扩散 内电场 动态平衡 两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结 两种运动 扩散Diffusion漂移Drift 浓度差 电场力 浓度差 多子扩散 空间电荷区 杂质离子 内电场 促少子阻多子漂移扩散 动态平衡 PN结形成过程 二 PN结的单向导电性 PN结的基本特性 单向导电性只有在外加电压时才显示出来 1 外加正向电压 P接电源正极 N接电源负极 正方向接法 PN结处导通状态 导通时呈低阻 1 PN结正偏 UP UN 时 外加的正向电压削弱了内电场 导通 PN结呈现低阻性 IF大 2 外加反向电压 N区接E正 P接负 反向电压 PN结处于截止状态 截止时呈高阻 本征激发产生的少子受温度影响很大 故温度对反向电流影响很大 2 PN结反偏 UP UN 时 外加的反向电压增强了内电场 截止 PN结呈现高阻性 反向饱和电流IR小 1 不加电阻R是否可以 2 如何用万用表判断PN结的P端 N端 PN结加正向电压时 PN结处于导通状态 呈现电阻很低 PN结加反向电压时 PN结处于截止状态 呈现电阻很高 这就是PN结的单向导电特性 结论 1 3半导体二极管 类型结构和符号 主要参数 典型应用 型号命名规则 特殊二极管 伏安特性 一 类型结构和符号 材料 硅 锗 二极管 PN结 引线 管壳 整流二极管 检波二极管 稳压二极管 光电二极管 开关二极管 二极管的符号 1 点接触型 a 点接触型 点接触型二极管 一般为锗管 它的PN结结面积很小 结电容很小 因此不能通过较大电流 但其高频性能好 故一般适用于高频和小功率的工作 也用作脉冲数字电路里的开关元件 c 平面型 3 平面型 2 面接触型 b 面接触型 面接触型二极管 一般为硅管 PN结结面积大 结电容大 故可承受较大电流 适用于整流 不宜用作于高频电路 2CP1面接触型硅二极管 标记 Diode 二 伏安特性 死区电压 反向饱和电流 U BR 正向 反向 Si0 5VGe0 15V IS 反向饱和电流UT kT q 温度的电压当量室温 T 300K 下 UT 26mV 1 理想二极管方程 PN结方程 非线性器件 实际D与理想D两点区别 2 实际二极管伏安特性 1 正向 U 0 存在死区电压 硅 Uth 0 5VThreshold锗 Uth 0 15V阈限 2 反向 U 0 存在击穿电压UBR Breakdown 电击穿 雪崩 齐纳 热击穿 理想 实际 三 主要参数 1 最大整流电流IOM 二极管长期工作时 允许通过二极管的最大正向平均电流 当电流超过允许值时 PN结将过热而使管子损坏 2 反向工作峰值电压URWM 一般为反向击穿电压的一半或三分之二 确保不被击穿 3 反向峰值电流IRM 二极管上加URWM时的反向电流值 该值大 说明二极管的单向导电性能差 二极管的应用范围很广 主要都是利用它的单向导电性 例如用于整流 检波 开关 限幅 钳位等 判断二极管在电路中工作状态的方法 将二极管断开 求出二极管阳极与阴极之间所承受的电压 对于理想二极管来说 如果求出的电压大于零 则说明该二极管处于正向偏置而导通 如果该电压小于零 则说明该二极管处于反向偏置而截止 如果电路中有两个或两个以上的二极管 则首先断开所有二极管 求出各管所承受的电压 其中承受正向电压最大者将优先导通 对于理想二极管来说 导通时其正向导通压降为零 可将其短路 然后再用上述方法判断其余二极管的情况 已知 画的波形 思考 电阻两端电压的波形 例1 5 解 将D开路 求其两端开路电压U 故D导通 Uo 0V 已知D为理想二极管 求Uo 例2 解 若U 0 则D导通 反之D截止 若E 4V 求Uo 故D截止 Uo 2V 例3 解 若将E改为ui 求uo 例4 解 将两个二极管全部断开 求开路电压 求输出电压Uo 例5 解 求F的电位VF 二极管的正向电位降忽略 A端电位比B端电位高 DA优先导通 则 当DA导通时 DB上所加为反向电压截止 例6 解 例7 解 将光信号转换为电信号的器件 常用于光的测量 或做光电池 光电二极管 图A 将电信号转换为光信号的器件 常用于显示 或做光纤传输中的光发射端 发光二极管 LED 发射相干单色光的特殊发光二极管 主要用于小功率光电设备 如光驱 激光打印头等 激光二极管 1 正确理解PN结 2 熟练掌握器件 二极管 的外特性 主要参数 3 正确理解模型分析法及典型应用 4 会查阅电子器件手册 基本要求 THEEND 作业 1 11 2 稳压管是一种特殊的半导体硅二极管 在电路中能起稳定电压的作用 故称为稳压管 1 4稳压管 一 主要参数 1 稳定电压UZ 2 稳定电流IZ 稳压管的稳定电流只是一个作为依据的参考值 但对每一个稳压管 都规定一个最大稳定电流IZmax 稳压管在正常工作下管子两端的电压 3 电压温度系数 稳压值受温度变化影响的系数 4 动态电阻rz rz越小 稳压管反向伏安特性曲线越陡 稳压性能越好 稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值 5 最大允许耗散功率PZM 为管子不发生损坏时的最大功率损耗 已知UZ 5V UD 0 6V 求Uo U 10V U 10V U 4V 当U 10V时 稳压管反向击穿 Uo UZ 5V 当U 10V时 稳压管正向导通 UO UD 0 6V 当U 4V时 稳压管反向截止 UO 4V 例 解 U 10V U 10V U 4V 已知UZ 5V UD 0 6V 求UO UO UZ UD 5 6V 例 解 当U 10V时 设C点电位为零 UO UZ UD 5 6V 当U 10V时 设B点电位为零 UO 4V 当U 4V时 设C点电位为零 求UO a b Dz1稳压值6V Dz2稳压值10V 正向压降0 7V 解 例 U 20V 电阻R的选择范围 为保证流过稳压管电流不超过其最大允许电流 稳压管在使用时 在电路中必须加限流电阻 注意 1 5半导体三极管 BipolarJunctionTransistor BJT 1 5 1基本结构 1 5 2放大原理 1 5 3特性曲线 1 5 4主要参数 1 5 5半导体三极管型号 1 5 6小结 三极管又称为晶体管 高频管 按频率分 低频管 按功率分 大功率管 中功率管 小功率管 NPN型 按结构分 PNP型 按材料分 硅管 锗管 硅晶体管多为NPN型 3D系列 锗晶体管多为PNP型 3A系列 1 5 1基本结构 1 NPN型 发射结 Je 集电结 Jc 基区 发射区 集电区 它由两个PN结的三层半导体制成的 中间是一块很薄的P型半导体 几微米 几十微米 两边各为一块N型半导体 发射区与基区交界处的PN结称为发射结 基区不但很薄 而且掺杂浓度低 发射区的掺杂浓度远高于集电区 集电极和发射极不能互换 两个PN结 集电区与基区交界处的PN结称为集电结 2 PNP型 发射结 Je 集电结 Jc 基区 发射区 集电区 符号 一 放大条件 二 内部载流子传输过程 三 电流分配关系 1 5 2放大原理 四 放大作用 一 放大条件 外部条件 内部条件 Je正偏Jc反偏 电位关系 三区结构与掺杂 NPN VC VB VE PNP VC VB VE 发射区向基区注入载流子 基区则是传送和控制载流子 集电区是收集载流子的 把晶体管接成两个回路 即基极电路和集电极电路 以发射极为公共端 这种接法称为晶体管的共发射极接法 二 内部载流子传输过程 发射结加正向电压 集电结加反向电压 1 发射区向基区扩散电子 2 电子在基区的扩散和复合 基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流 扩散和复合同时进行 电流放大取决于两者的比例 希望扩散 复合 因此基区很薄 掺杂浓度小 3 集电区收集扩散过来的电子 根据反向PN结的特性 当集电结加反向电压时 基区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用下形成反向漂移电流 这部分电流决定于少数载流子浓度 称为反向饱和电流ICBO 三 电流分配关系 CurrentRelationship 且IE IC IB 晶体管的IB有很小变化时 IC变化很大 这就是晶体管的电流放大作用 发射结必须正向偏置 集电结必须反向偏置 注意 表示电流放大能力 电流放大系数 四 放大作用 电流放大 控制 三种组态电路 Common 应用 共射电压放大 CommonEmitterCircuit 一 输入特性曲线 输入特性是指当集电极 发射极电压UCE为常数时 输入回路中加在基极 发射极之间电压UBE与基极电流iB之间的关系 1 5 3特性曲线 当UCE足够大时 集电结反偏 输入特性曲线右移 当UCE 1V时 集电结的电场足够大 可以把从发射区进入基区的电子中的绝大部分吸引到集电区 此时UCE再大 IB已基本不变 硅管为0 5V 在正常工作时 发射结上压降 PNP锗管死区电压 0 1V UBE 0 2 0 3V UCE 1V后的输入特性基本重合 所以 通常只要画出UCE 1V以后的任何一条输入特性就可代表UCE 1V以后的各种情况 死区电压 输出特性是指IB 常数时 三极管输出回路中 此处指集电极回路 集电极 发射极之间的电压UCE与集电极电流IC之间的关系 二 输出特性曲线 不同的IB可得到不同的曲线 各条特性曲线的形状基本上是一样的 输出特性曲线为一组曲线 当UCE很小时 不能把由发射区扩散到基区的自由电子大部分拉入集电区 IC受UCE影响较大 当UCE增大 集电结吸引电子能力增强 IC很快增大 当UCE超过一定值后 自由电子的大部分已被拉入集电区 即使再增加UCE IC基本不变 具有恒流特性 放大区 1 放大区 IC IB IB IC呈线性关系 放大区又称线性区 条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 NPN型 UBE 0 UCE UBE 2 截止区 IB 0时 IC ICEO 0 UBE 0 5V时 晶体管进入截止区 为使晶体管可靠截止 一般使UBE 0V 发射结 集电结均反向偏置 3 饱和区 当UCE UBE时 集电结正偏 晶体管处于饱和状态 IC IB IB与IC不成比例 放大倍数 不适用于饱和区 UCE UCES 饱和压降 硅管0 3V 锗管0 1V 发射结 集电结正向偏置 三极管如同工作在短接状态 测量三极管三个电极对地电位如图试判断三极管的工作状态 例 三个晶体管动工作在放大区 测得管子三个电极的电位分别如下 试判断各三极管的类型 材料和电极 2V 2 6V 6V 2 2V 5 4V 6V 4V 1 2V 1 5V 1 NPN型硅管 发射极 基极 集电极 例 2 PNP型硅管 集电极 基极 发射极 3 PNP型锗管 集电极 发射极 基极 2 晶体管处于饱和状态时 集电结和发射结的偏置情况为 a 发射结反偏 集电结正偏 b 发射结 集电结均反偏 c 发射结 集电结均正偏 04年选择题 1 工作在饱和状态的PNP型晶体管 其三个极的电位应为 a VE VB VC VB VE VC b VE VB VCVC c VB VE VBVC 02年选择题 a c 03年选择题 输出电压的最大值 1 电流放大系数 1 5 4主要参数 一 直流参数 2 反向饱和电流ICBO 当发射极开路时 由于集电结处于反偏 集电区和基区中的少数载流子的漂移运动所形成的电流 ICBO受温度的影响较大 在室温下 小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安 小功率硅管的ICBO在1 A以下 3 穿透电流ICEO 当基极开路时 由于集电结处于反偏 发射结处于正偏时的集电极电流 也称穿透电流 由于ICBO受温度影响很大 ICBO愈大 愈高的管子 稳定性愈差 在估算时认为 二 交流参数 1 电流放大系数 2 特征频率fT 当 下降到1时所对应的频率 1 集电极最大允许电流ICM IC超过一定值时