模电-第1章-半导体器件ppt课件

第一章常用半导体器件 教学目标 了解半导体的基本特性 半导体二极管 双极型三极管 场效应管的分类 结构 基本电特性和主要技术参数等 理解本征半导体 杂质半导体 PN结 单向导电性 伏安特性 电容效应 电流放大 击穿 稳压 夹断 开启等基本概念 掌握PN结的工作原理 半导体二极管的伏安特性 双极型三极管的工作原理 电流分配关系 电流放大原理 输入特性曲线 输出特性曲线 场效应三极管的工作原理 转移特性曲线和输出特性曲线 第一章常用半导体器件 1 1半导体基础知识 1 2半导体二极管 1 3晶体三极管 1 4场效应晶体管 1 1半导体基础知识 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 电阻率10 6 10 3 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 电阻率109 1020 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 砷化镓等 电阻率10 3 109 1 本征半导体 定义 纯净的晶体结构的半导体叫做本征半导体 本征半导体的结构及导电机理 以硅Si为例 价电子共有化 形成共价键的晶格结构 半导体中有两种载流子 自由电子和空穴 自由电子 空穴 在外电场作用下 电子的定向移动形成电流 在外电场作用下 空穴的定向移动形成电流 1 本征半导体中载流子为自由电子和空穴 金属呢 2 电子和空穴成对出现 浓度相等 3 由于热激发可产生电子和空穴 因此半导体的导电性和温度有关 对温度很敏感 总结 2杂质半导体 2 1N型半导体 在纯净的硅晶体中掺入五价元素 如磷 使之取代晶格中硅原子的位置 就形成了N型半导体 电子 多子 空穴 少子 2杂质半导体 2 2P型半导体 在纯净的硅晶体中掺入三价元素 如硼 使之取代晶格中硅原子的位置 就形成了P型半导体 空穴 多子 电子 少子 3PN结 3 1PN结的形成 P区 N区 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动 气体 液体 固体均有之 包括电子和空穴的扩散 3 1PN结的形成 在交界面 由于两种载流子的浓度差 产生扩散运动 3 1PN结的形成 在交界面 由于扩散运动 经过复合 出现空间电荷区 I漂 3 1PN结的形成 当扩散电流等于漂移电流时 达到动态平衡 形成PN结 PN结 I漂 1 由于扩散运动形成空间电荷区和内电场 2 内电场阻碍多子扩散 有利于少子漂移 3 当扩散电流等于漂移电流时 达到动态平衡 形成PN结 总结 3 2PN结的单向导电性 1 PN结外加正向电压时处于导通状态 加正向电压是指P端加正电压 N端加负电压 也称正向接法或正向偏置 内电场 外电场 外电场抵消内电场的作用 使耗尽层变窄 形成较大的扩散电流 2 PN结外加反向电压时处于截止状态 外电场和内电场的共同作用 使耗尽层变宽 形成很小的漂移电流 3 3PN结的伏安特性 小结 PN结的电流方程为 其中 IS为反向饱和电流 UT 26mV 3 4PN结的电容效应 1 势垒电容 PN结外加电压变化时 空间电荷区的宽度将发生变化 有电荷的积累和释放的过程 与电容的充放电相同 其等效电容称为势垒电容Cb 2 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时 在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化 也有电荷的积累和释放的过程 其等效电容称为扩散电容Cd 结电容 结电容不是常量 若PN结外加电压频率高到一定程度 则失去单向导电性 1 2半导体二极管 将PN结用外壳封装起来 并加上电极引线就构成了半导体二极管 由P区引出的电极为阳极 A 由N区引出的电极为阴极 K 二极管的符号 将PN结封装 引出两个电极 就构成了二极管 小功率二极管 大功率二极管 稳压二极管 发光二极管 二极管的伏安特性及电流方程 开启电压 反向饱和电流 击穿电压 温度的电压当量 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性 VT 温度的电压当量 VT kT q T 11600 0 026V 其中k为波耳兹曼常数 1 38 10 23J K T为热力学温度 即绝对温度 300K q为电子电荷 1 6 10 19C 在常温下 VT 26mV 二极管的伏安特性 单向导电性 伏安特性受温度影响 T 在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS U BR T 正向特性左移 反向特性下移 正向特性为指数曲线 反向特性为横轴的平行线 增大1倍 10 二极管的等效电路 理想二极管 近似分析中最常用 导通时 i与 u成线性关系 应根据不同情况选择不同的等效电路 1 将伏安特性折线化 2 微变等效电路 Q越高 rd越小 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时 则可将二极管等效为一个电阻 称为动态电阻 也就是微变等效电路 ui 0时直流电源作用 小信号作用 静态电流 二极管直流电阻 二极管的直流电阻是其工作在伏安特性上某一点时的端电压与其电流之比 图 a 电路 b 二极管伏安特性和工作点Q c 二极管的直流电阻 2 用万用表检测二极管 在R 100或R 1k挡测量 红表笔是 表内电源 负极 黑表笔是 表内电源 正极 正反向电阻各测量一次 测量时手不要接触引脚 1 用指针式万用表检测 一般硅管正向电阻为几千欧 锗管正向电阻为几百欧 反向电阻为几百千欧 正反向电阻相差不大为劣质管 正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路 2 用数字式万用表检测 红表笔是 表内电源 正极 黑表笔是 表内电源 负极 二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 2 反向击穿电压U BR 二极管反向击穿时的电压值 击穿时反向电流剧增 二极管的单向导电性被破坏 甚至过热而烧坏 手册上给出的最高反向工作电压UR一般是U BR 的一半 3 反向电流IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 反向电流大 说明管子的单向导电性差 因此反向电流越小越好 反向电流受温度的影响 温度越高反向电流越大 硅管的反向电流较小 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍 4 最高工作频率fM 二极管的上限频率 1N54xx系列二极管参数 半导体器件的命名方式 第一部分 数字字母字母 汉拼 数字字母 汉拼 电极数材料和极性器件类型序号规格号 2 二极管 3 三极管 第二部分 第三部分 A 锗材料N型 B 锗材料P型 C 硅材料N型 D 硅材料P型 A 锗材料PNP B 锗材料NPN C 硅材料PNP D 硅材料NPN P 普通管 W 稳压管 Z 整流管 K 开关管 U 光电管 X 低频小功率管 G 高频小功率管 D 低频大功率管 A 高频大功率管 第四部分 第五部分 例 2CP2AP2CZ2CW普通硅二极管普通锗二极管硅整流二极管硅稳压二极管 二极管的典型应用 应用一 画出二极管电路的输出波形 设UD 0 整流二极管 应用二 画出二极管电路的输出波形 设UD 0 7V 0 7V 0 7V 3V 钳位二极管 稳压二极管 1 伏安特性 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流 由一个PN结组成 反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变 为稳定电压 2 主要参数 稳定电压UZ 稳定电流IZ 最大功耗PZM IZMUZ 动态电阻rz UZ IZ 若稳压管的电流太小则不稳压 若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏 因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻 限流电阻 斜率 应用三 RL为负载电阻 R限流电阻当UI变化时 由于稳压管的作用 输出UO不变 特殊二极管 1 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件 其结构与普通二极管相似 只是管壳上留有一个能入射光线的窗口 2 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件 它由一个PN结构成 当发光二极管正偏时 注入到N区和P区的载流子被复合时 会发出可见光和不可见光 1 3晶体三极管 一 三极管的结构和符号 NPN型 基区 发射区 集电区 发射结 集电结 发射极 基极 集电极 b e c 发射极箭头的方向为电流的方向 晶体管有三个极 三个区 两个PN结 中功率管 大功率管 二 晶体管的电流放大原理 放大是对模拟信号最基本的处理 晶体管是放大电路的核心元件 它能够控制能量的转换 将输入的任何微小变化不失真的放大输出 放大的对象是变化量 晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流 共射放大电路 扩散运动形成发射极电流IE 复合运动形成基极电流IB 漂移运动形成集电极电流IC 少数载流子的运动 因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区 因基区薄且多子浓度低 使极少数扩散到基区的电子与空穴复合 因集电区面积大 在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区 基区空穴的扩散 VB RB Vcc 晶体管实质上是一个电流控制器 穿透电流 集电结反向电流 直流电流放大系数 交流电流放大系数 电流分配关系 三极管具有电流放大作用的条件 内部条件 发射区多数载流子浓度很高 基区很薄 掺杂浓度很小 集电区面积很大 掺杂浓度低于发射区 外部条件 思考题 三极管发射极和集电极能否互换 三 晶体管的共射特性曲线 1 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 2 输出特性 此区域满足IC IB称为线性区 放大区 IC只与IB有关 IC IB 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 2 输出特性 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 2 输出特性 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 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 即 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区 UBE 开启电压 IB 0 IC ICEO 0 三极管工作状态判断方法 三极管工作状态判断方法 续 当vBC 0时 放大 0时 饱和 例1 判断以下三极管的工作状态 放大 饱和 截止 四 典型题 例2 现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如下 各晶体管开启电压均为0 5V 试判断各管的工作状态 放大 放大 饱和 截止 五 温度对晶体管特性的影响 晶体管对温度的变化敏感 六 主要参数 直流参数 ICBO ICEO c e间击穿电压 最大集电极电流 最大集电极耗散功率 PCM iCuCE 安全工作区 交流参数 fT 使 1的信号频率 极限参数 ICM PCM U BR CEO 场效应管有三个极 源极 s 栅极 g 漏极 d 对应于晶体管的e b c 有三个工作区域 截止区 恒流区 可变电阻区 对应于晶体管的截止区 放大区 饱和区 1 结型场效应管 符号 结构示意图 导电沟道 特点 单极型管 噪声小 抗辐射能力强 低电压工作 1 4场效应管 Ugs作用于整个沟道 沟道最宽 UGS off 此时 Uds 0 栅 源电压Ugs对导电沟道宽度的控制作用 漏 源电压Uds对漏极电流的影响 uGS UGS off 且不变 VDD增大 iD增大 预夹断 uGD UGS off VDD的增大 几乎全部用来克服沟道的电阻 iD几乎不变 进入恒流区 iD几乎仅仅决定于uGS uGD UGS off uGD UGS off 此时 Ugs 0 g s电压控制d s的等效电阻 输出特性 预夹断轨迹 uGD UGS off 可变电阻区 恒流区 iD几乎仅决定于uGS 击穿区 夹断区 截止区 不同型号的管子UGS off IDSS将不同 低频跨导 夹断电压 漏极饱和电流 转移特性 场效应管工作在恒流区 有uGS UGS off 且uGD UGS off uDG UGS off 有夹断 有沟道 2绝缘栅型场效应管 由金属 氧化物和半导体制成 称为金属 氧化物 半导体场效应管 或简称MOS场效应管 特点 输入电阻可达109 以上 类型 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 UGS 0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管 UGS 0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管 2 1N沟道增强型MOS场效应管 1 结构 B G S D 源极S 漏极D 衬底引线B 栅极G 2 工作原理 绝缘栅场效应管利用UGS来控制 感应电荷 的多少 改变由这些 感应电荷 形成的导电沟道的状况 以控制漏极电流ID 工作原理分析 以N沟道增强型为例 UGS 0时 对应截止状态 2个耗尽层 UGS 0时 UGS排斥空穴 形成耗尽层 UGS 0时 UGS足够大时 UGS UGS th 出现以电子导电为主的N型导电沟道 吸引电子 VGS th 称为开启电压 导电沟道在两个N区间是均匀的 当UDS增大时 靠近D区的导电沟道变窄 UDS增加 UGD UGS th 时 靠近D端的沟道被夹断 称为预夹断 a UGD UGS th b UGD UGS th c UGD UGS th 3 特性曲线 a 转移特性 b 漏极特性 UGS UGS th ID 0 UGS UGS th 形成导电沟道 随着UGS的增加 ID逐渐增大 当UGS UGS th 时 三个区 可变电阻区 恒流区 或饱和区 击穿区 2 2N沟道耗尽型MOS场效应管 制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子 这些正离子电场在P型衬底中 感应 负电荷 形成 反型层 即使UGS 0也会形成N型导电沟道