极管、三极管和MOS管

1.2晶体三极管,1.3绝缘栅场效应管,1.1晶体二极管,第一章半导体二极管、三极管和MOS管,第1章,上页,下页,返回,1.1.2二极管的特性和主要参数,1.1.3二极管的电路模型,1.1.4稳压二极管,1.1.1PN结及其单向导电性,1.1晶体二极管,第1章,上页,下页,返回,1.本征半导体,完全纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。它具有共价键结构。,锗和硅的原子结构,单晶硅中的共价键结构,价电子,硅原子,第1章,上页,下页,翻页,返回,1.1.1PN结及其单向导电特性,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。空穴和自由电子都称为载流子。它们成对出现，成对消失。,在常温下自由电子和空穴的形成,复合,自由电子,本征激发,第1章,上页,下页,翻页,返回,2.N型半导体和P型半导体,原理图,P,自由电子,结构图,磷原子,正离子,P+,在硅或锗中掺入少量的五价元素，如磷或砷、锑，则形成N型半导体。,多余价电子,在N型半导体中，电子是多子，空穴是少子,第1章,上页,下页,翻页,返回,P型半导体,在硅或锗中掺入三价元素，如硼或铝、镓，则形成P型半导体。,原理图,B,B-,硼原子,负离子,空穴,填补空位,结构图,在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。,第1章,上页,下页,翻页,返回,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一个PN结。,P区,N区,P区的空穴向N区扩散并与电子复合,N区的电子向P区扩散并与空穴复合,空间电荷区,内电场方向,3.PN结的形成,第1章,上页,下页,翻页,返回,空间电荷区,内电场方向,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡。,P区,N区,多子扩散,少子漂移,第1章,上页,下页,翻页,返回,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。,内电场阻挡多子的扩散运动，推动少子的漂移运动。,结论：,在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。,第1章,上页,下页,翻页,返回,4.PN结的单向导电性,P区,N区,内电场,外电场,E,I,空间电荷区变窄,P区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和,N区电子进入空间电荷区和一部分正离子中和,扩散运动增强，形成较大的正向电流。,第1章,上页,下页,翻页,返回,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,空间电荷区变宽,内电场,外电场,少子越过PN结形成很小的反向电流,IR,E,第1章,上页,下页,翻页,N区,P区,返回,由上述分析可知：,PN结具有单向导电性,即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大。（PN结处于导通状态）,加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小。（PN结处于截止状态）,切记,第1章,上页,下页,翻页,返回,1.1.2二极管的特性和主要参数1.结构,表示符号,面接触型,点接触型,引线,触丝,外壳,N型锗片,N型硅,阳极引线,PN结,阴极引线,金锑合金,底座,铝合金小球,第1章,上页,下页,翻页,返回,第1章,上页,下页,翻页,返回,2.二极管的伏安特性,-40,-20,O,U/V,I/mA,60,40,20,-50,-25,0.4,0.8,正向,反向,击穿电压,死区电压,U(BR),硅管的伏安特性,I/A,第1章,上页,下页,翻页,返回,-20,-40,-25,0.4,0.2,-50,10,O,15,5,I/mA,U/V,锗管的伏安特性,I/A,死区电压,3.二极管的主要参数,第1章,上页,下页,翻页,返回,第1章,上页,返回,下页,1.1.3二极管的电路模型,1.二极管的工作点,E,UQ,IQ,E,R,-,Q,U=ERI,翻页,第1章,上页,返回,下页,二极管的静态电阻和动态电阻,翻页,第1章,上页,返回,下页,I,U,2.二极管特性的折线近似及模型,Q,翻页,U0N,O,P,U=UON+rDI,二极管的电路模型,稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。,符号:,DZ,阴极,阳极,特点:,(1)反向特性曲线比较陡,(2)工作在反向击穿区,1.1.4稳压二极管,第1章,上页,下页,翻页,返回,I/mA,U/V,0,UZ,IZ,稳压管的主要参数:,第1章,上页,下页,返回,I/mA,U/V,0,UZ,IZ,翻页,第1章,上页,下页,本节结束,返回,稳压管构成的稳压电路,图中R为限流电阻，用来限制流过稳压管的电流。RL为负载电阻。,由于稳压管工作在其反向特性端，因而在反向击穿的情况下可以保证负载两端的电压在一定的范围内基本保持不变。,1.2晶体三极管,1.2.1基本结构和电流放大作用,1.2.2特性曲线和主要参数,1.2.3简化的小信号模型,第1章,上页,下页,返回,1.2.1基本结构和电流放大作用,NPN型,PNP型,C,P,N,N,N,P,P,E,E,B,B,发射区,集电区,基区,基区,基极,发射极,集电结,发射结,发射结,集电结,集电区,发射区,集电极,集电极,C,发射极,基极,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管的电流放大原理,IE,IB,RB,UBB,IC,UCC,输入电路,输出电路,公共端,晶体管具有电流放大作用的外部条件：,发射结正向偏置,集电结反向偏置,NPN管：UBE0UBCVBVE,RC,B,C,E,共发射极放大电路,第1章,上页,下页,翻页,返回,三极管的电流控制原理,UBB,RB,IB,IC,UCC,RC,N,P,IE,N,发射区向基区扩散电子,电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE,电子在基区的扩散与复合,集电区收集电子,电子流向电源正极形成IC,EB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB,第1章,上页,下页,翻页,返回,由上所述可知:,由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：,ICIB或ICIB,第1章,上页,下页,翻页,返回,当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。,1.2.2特性曲线和主要参数,1.输入特性曲线,IB=f(UBE),UCE=常数,UCE1V,第1章,上页,下页,翻页,返回,UBE,/V,IB/,A,O,O,2.晶体管输出特性曲线,IC=f(UCE)|IB=常数,IB减小,IB增加,UCE,IC,IB=20A,IB=60A,IB=40A,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管输出特性曲线分三个工作区,UCE/V,IC/mA,80,60,40,0,IB=20A,O,2,4,6,8,1,2,3,4,截止区,饱和区,放大区,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管三个工作区的特点:,放大区:,截止区:,饱和区:,发射结正偏,集电结反偏,有电流放大作用,IC=IB,输出曲线具有恒流特性,发射结、集电结处于反偏,失去电流放大作用,IC0,晶体管C、E之间相当于开路,发射结、集电结处于正偏,失去放大作用,晶体管C、E之间相当于短路,第1章,上页,下页,翻页,返回,3.主要参数,集电极基极间反向饱和电流ICBO,集电极发射极间穿透电流ICEO,ICEO=(1+)ICBO,交流电流放大系数=IC/IB,第1章,上页,下页,翻页,返回,集电极最大允许电流ICM,集-射反向击穿电压U(BR)CEO,集电极最大允许耗散功率PCM,过压区,过流区,安全工作区,过损区,PCM=ICUCE,UCE/V,U(BR)CEO,IC/mA,ICM,O,使用时不允许超过这些极限参数.,第1章,上页,下页,翻页,返回,1.2.3简化的小信号模型,三极管工作在放大状态时可用电路模型来表征它的特性。,建立简化小信号模型的条件：1）三极管工作在放大状态;2)输入信号非常小（一般A数量级）,上页,下页,第1章,翻页,返回,三极管微变等效模型的建立步骤：,Uce1V,IB,IB,UBE,第1章,上页,下页,Q,翻页,返回,输出回路微变等效电路,UCE,UCE,第1章,上页,下页,翻页,返回,IC,IB,e,第1章,上页,下页,返回,本节结束,1.3绝缘栅场效应晶体管,1.3.1基本结构和工作原理,第1章,上页,下页,返回,1.3.2特性曲线和主要参数,1.3.3简化的小信号模型,概述,第1章,上页,下页,返回,翻页,场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，绝缘栅型场效应管的应用最为广泛，这种场效应管又称为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS）。,1.3.1基本结构和工作原理,1.结构,B,G栅极,D漏极,SiO2,B,D,G,S,P型硅衬底,S源极,N沟道增强型结构示意图,图形符号,第1章,上页,下页,返回,N+,N+,翻页,2.工作原理,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。,(1)UGS=0,结构示意图,衬底引线B,UDS,ID=0,G,D,S,P型硅衬底,SiO2,栅源电压对导电沟道的控制作用,第1章,上页,下页,N+,N+,翻页,返回,(2)0UGSUGS(th),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。,N+,N+,SiO2,G,D,S,耗尽层,B,P型硅衬底,UGS,N型导电沟道,ID,第1章,上页,下页,翻页,返回,由上述讨论可知:,UGS愈大，导电沟道愈厚,在UDS电压作用下,电流ID愈大。即通过改变电压UGS的大小可以改变漏极电流ID的大小。,随着栅极电压UGS的增加，导电沟道不断增加的场效管称为增强型场效应管。,场效应管只有一种载流子参与导电,故称为单极型晶体管。普通晶体管中空穴和电子两种载流子参与导电称之为双极型晶体管。,上页,第1章,翻