电工电子半导体器件.ppt

,在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。它是共价键结构。,本征半导体的共价键结构,5.1.1本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,5.1半导体的基础知识,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,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,+4,5.1.2杂质半导体,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,虽然在半导体中掺入杂质的数量极微，但对半导体的导电性能却有很大的影响。例如，在一立方厘米硅晶体中约有5.11022个硅原子，室温下本征激发所产生的电子，空穴对约为1.431010对。如果掺入十亿分之一的磷，即在一立方厘米硅晶体中掺入,5.11022109=5.11013,个磷原子，就可以提供5.11013个自由电子，与原来由本征激发所产生的的自由电子的数量相比，增加了3566倍，与原来由本征激发所产生的两种载流子的总数相比，增加了1783倍，因而导电能力大大增强。,另一方面，由于自由电子的增多，增加了空穴与自由电子复合的机会，原来由本征激发产生的少量空穴又进一步减少，所以，在掺入五价元素的杂质半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,N型半导体结构示意图,在N型半导体中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。,此图中只画出了掺入的五价元素形成的正离子、多数载流子和少数载流子。未画出硅原子。,+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,P型半导体结构示意图,此图中只画出了掺入的三价元素形成的负离子、多数载流子和少数载流子。亦未画出硅原子。,P区,N区,5.1.3PN结及其单向导电性,1.PN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特殊的薄层，称为PN结。,多子扩散,少子漂移,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,2.PN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,多子扩散运动增强，形成较大的正向电流,(1)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,正极引线,含三价元素的金属触丝,N型锗,支架,外壳,负极引线,点接触型二极管,5.2.1二极管的结构和符号,5.2半导体二极管,PN结,5.2.2二极管的伏安特性,二极管和PN结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V,锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6V0.7V,锗管约为0.20.3V。,60,40,20,0.02,0.04,0,0.4,0.8,25,50,I/mA,U/V,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,在二极管上加反向电压时,反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压URBR,5.2.2二极管的伏安特性,二极管的近似伏安特性和理想伏安特性,(a)当电源电压与二极管导通时的正向电压降相差不多时，正向电压降不可忽略，可采用近似伏安特性,(b)当电源电压远大于二极管导通时的正向电压降时，则可将二极管看成理想二极管，可采用理想伏安特性,对于理想二极管,正向特性：二极管加正向电压,对于理想二极管,反向特性：二极管加反向电压,5.2.3二极管的主要参数,最大整流电流IOM最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,最高反向工作电压UDRM它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,反向电流IR它是指二极管加上给定反向偏置电压时的反向电流值。IR越小，二极管的单向导电性越好。,二极管的应用范围很广,它可用作钳位、限幅、整流、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,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=30.3=2.7V,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+2.7V。,5.2.4二极管的主要应用,解:(1)VA=VB=VC=3V,VY=3.3V.,二极管与门电路,A,B,C,DA,DB,DC,VY=3.3V,Y,DA、DB、DC都导通,例2：下图中，DA、DB和DC均为锗管，求下列两种情况下输出端Y的电位并说明二极管的作用。(1)VA=VB=VC=3V;(2)VA=0V,VB=VC=3V.,二极管与门电路,A,B,C,DA,DB,DC,(2)VA=0V,VB=VC=3V则DA抢先导通,VY=0.3V,VY=0.3V,Y,DB、DC截止,DA导通后，DB和DC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+0.3V。,例2：下图中，DA、DB和DC均为锗管，求下列两种情况下输出端Y的电位并说明二极管的作用。(1)VA=VB=VC=3V;(2)VA=0V,VB=VC=3V.,解:,例1：下图是二极管单向限幅电路，D为理想二极管，ui=6sintV,E=3V,试画出uo波形。,t,t,ui/V,uo/V,6,0,0,2,解：（1）当ui3V时，D正向偏置，D导通。uo=E=3V,uR/V,t,ui/V,6,0,2,t,uo/V,0,例2：下图是二极管双向限幅电路，D为理想二极管，ui=6sintV,E1=E2=3V,试画出uo波形。,(2)当3VVE,公共端,三极管的工作状态有放大、饱和及截止三种。,1、放大状态,Ic,Rc,RB,UBB,N,P,N,UCC,三极管的电流控制原理,三极管处于放大状态时，内部载流子的运动过程是：发射区发射载流子形成IE，其中很少部分在基区被复合而形成IB，绝大部分被集电区收集而形成IC。三者的关系是：IE=IB+IC,三者的大小取决于UBE的大小,UBE增加，发射区发射的载流子增多，IE、IB和IC都相应增加。,ICIB,同样有:ICIB,所以说三极管具有电流放大作用,也称之为电流控制作用。,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：,直流（或静态）电流放大系数,交流（或动态）电流放大系数,晶体管处于放大状态的特征是:,(a)IB的微小变化会引起IC的较大变化;,(b)IC=IB，IC是由和IB决定的;,(c)UCCUCE0，UCE=UCCRCIC,在模拟电路中，晶体管主要工作在放大状态，起放大作用。,三极管处于饱和状态的外部条件:,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结正向偏置。,对于NPN型三极管应满足:UBE0UBC0,2、饱和状态,晶体管处于饱和状态的特征是:,(a)IB增加时，IC基本不变;,(c)UCE=0,(d)晶体管相当于短路。,三极管处于截止状态的外部条件:,（1）发射结反向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:UBE0UBC0,3、截止状态,晶体管处于截止状态的特征是:,(a)IB=0;,(c)UCE=UCC;,(d)晶体管相当于开路。,(b)IC=0;,在数字电路中，晶体管交替工作于截止和饱和两种状态，起开关作用。,UCE1V,1.三极管的输入特性,5.4.3三极管的特性曲线,IB=40A,IB=60A,IB=20A,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=0A,20A,40A,60A,80A,5.4.4三极管的主要参数,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.反向击穿电压BU(BR)CEO,5.集电极最大允许耗散功率PCM,Ic/mA,UCE/V,0,IB=0A,20A,40A,60A,80A,由三极管的极限参数确定安全工作区,ICM,ICEO,集电极最大允许耗散功率PCM,60A,0,20A,1.5,2.3,在输出特性上求,设UCE=6V,IB由40A加为60A。,IC/mA,UCE/V,IB=40A,6,结构示意图,5.5.1N沟道增强型绝缘栅场效应管,5.5绝缘栅场效应管,1.结构和符号,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,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,UDS,耗尽层,ID=0,(2)0UGSUGs(th),UGS,N+,N+,ID/mA,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,结构示意图,8.6.2N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。,第一章1.6,ID/mA,4,3,2,1,0,4,8,12,UGS=1V,2V,3V,ID/mA,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),第一章1.6,UDS/V,UDS=10V,N型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,UDS,耗尽层,ID,.UGS,PMOS管结构示意图,P沟道,8.6.3P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+,第一章1.6,1.P沟道增强型绝缘栅场效应管,开启电压UGS(th)为负值，UGSUGS(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，UGSUGs(off)时导通。,第一章1.6,在UDS=0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。,8.6.4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栅源电压的微变量之比称为跨导,即,第一章1.6,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。,它表明栅源电压对漏极电流控制的能力。,第一章1.6,第一次作业：1.11.21.3,第1章作业,第二次作业：1.51.81.10,UO=0.45U2,uO的电压平均值：,负载的电流平均值：,截止时二极管所承受的最高反向电压为：,（2）单相桥式整流电路,整流电路中最常用的是单相桥式整流电路它由四个二极管D1D4接成电桥的形式构成。,io,RL,A,u2,u1,uo,+,D1,D2,D4,D3,B,+,+,在u2的正半周，D1和D3导通，D2和D4截止(相当于开路)。,在u2的负半周，D2和D4导通,D1和D3截止(相当于开路)，,在一个周期内，通过电阻的电流方向相同，在负载上得到的是全波整流电压uo。,工作原理,Uo,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,2,3,Im,2,2,3,3,uD1,uD3,uD4,uD2,uO,u2,uD,iO,由于二极管的正向压降很小，因此可认为uO的波形和u2的