《半导体器件概论》PPT课件.ppt

1、1,预祝各位同学 在本门课程的学习中取得优异成绩! 卢健康老师 愿为大家学好本门课程尽心尽力！,2,课程名称：模拟与数字电子技术 教材：电子技术（电工学II比电工技术难但更有趣）史仪凯主编 绪论,一、内容 体系： 1、模拟电子技术（教材第15章） 重点：第2、4两章 2、数字电子技术（教材第69章） 重点：第6、7两章 3、电工电子应用技术（电工学）第6章电力电子技术基础 电子技术又可分为“信息电子技术”与“电力电子技术” 二、课时分配：讲课52，实验18,3,三、讲授、学习方法： 从管到路，管为路用，从小到大，逐步扩展。 核心器件典型环节基本单元应用系统 模电部分：以分立元件为基础；以集成电

2、路为重点。 数电部分：以SSIC为入门；以MSIC为重点，适当引 入LSIC*。,四、对课程内容的要求： 了解内部机理，理解外部特性，熟悉主要参数，设计简单电路，分析典型系统。 定性分析，定量估算,4,主要参考书,1、 电工学上册电子技术秦曾煌主编 高等教育出版社（第5或6版） 2、 电子技术典型题解析及自测试题史仪凯等编 西北工业大学出版社 3、 电工学 电子技术导教导学导考 朱建坤编 西北工业大学出版社,5,第一章 半导体器件, 1.1 半导体的基本知识, 1.2 PN 结及半导体二极管, 1.3 特殊二极管, 1.4 半导体三极管, 1.5 场效应晶体管,6,1.1 半导体的基本知识,1

3、.1.1 导体、半导体和绝缘体,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、塑料和石英。,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。,7,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。比如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 兴利热敏、光敏元件 除弊加散热片、加黑色塑封以避光,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。 这一特性的利用揭开了电子技术发展史上新的一页！,8,1.1.2 本征半导体,现代电子技术中，用的最多的半导体是硅和锗，它们

4、的最外层电子（价电子）都是四个。,9,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,10,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,11,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子（价电子），常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力非常弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定

5、结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,12,本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,13,本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,束缚电子 （价电子）,14,本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引临近的价电子（不是自由电子）来填补。,填补的结果相当于空穴的迁移超女快男的演唱会，玉米花生前移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动

6、（为什么？），因此可以认为空穴是带正电荷的载流子。,15,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。（与金属比？） 自由电子和空穴成对产生与消失（复合）,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。,16,1.1.3 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质掺杂，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。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导

7、体称为P型半导体（空穴半导体）。,17,N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个价电子，这个价电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,18,N型半导体,多余电子 准自由电子,磷原子,19,N型半导体,N型半导体中的载流子的来源？,1、由施主原子提供的准自由电子，浓度与施主原子 相同。,2、本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。,注意：由于掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以

8、，由施主原子提供的准自由电子浓度远大于原本征半导体空穴浓度；而自由电子增多又增加了复合的机会，故掺杂后N型半导体中的空穴数比原本征半导体中的空穴数小得多。因此， N型半导体中的空穴比自由电子少得多！故N型半导体中的自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,20,P型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴很容易吸引邻近价电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,21,空穴,P型半导体,硼原子,

9、22,总 结,1、N型半导体中自由电子是多子（其中大部分是由掺杂提供的，本征半导体中受激产生的自由电子只占少数） ； 空穴是少子。,2、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。,3、少子的迁移虽然也能形成电流，但由于它们数量很少，起导电作用的主要是多子。近似认为多子浓度与杂质浓度相等。,23,杂质半导体的示意表示法,24,1.2 PN结及半导体二极管,1.2.1 PN 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。,25,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,由载流子浓度差而产生，使多子越过PN结流向对方。

10、,由内电场而产生，使少子 越过PN结流向对方。,26,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽，,内电场就越强，漂移运动就加强，而漂移使空间电荷区变薄。,27,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，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。,28,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,29,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,请注意,30,1.2.2 PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意

11、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。,31,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。,32,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。,33,1.2.3 半导体二极管,(1)、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型 一般为锗管，适于高频、小功率。,34,面接触型 一般为硅管，适于低频、中、大功率。,35,(2)、伏安特性,反向击穿电压U(BR),mA,A,反向电流特点： 1 随温

12、度上升而快速增长 2 UU(BR)时其值基本不变,死区电压：硅管0.6V,锗管0.10.2V。,导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.20.3V。,36,(3)、主要参数,（1）最大整流电流 IOM,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UBR,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。手册上给出的反向工作峰值电压URWM一般是UBR的一半。,37,（3）反向峰值电流 IRM,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

13、大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,38,（4）微变电阻（动态电阻） rD,vD,rD是二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是Q点的动态电阻。,39,二极管究竟等效为何种元件，取决于它的外部工作条件-外加的电压，有时还和频率有关。 当外加电压远高于其导通电压时，二极管表现为理想开关特性；？ 当电压远小于导通电压时则二极管表现为动态电阻，该电阻的阻值随工作电压不同而改变。 *当所加电压的频率较高时则还要考虑其结电容的影响。,40,二极管的应用主要是利用它的单向导电性，包括整流、限幅、保护等。,下面先通过例题简单介绍，以后经常会在电路中遇到它的各

14、种应用。,41,例：二极管的应用之一：检波,42,含二极管电路分析方法：先假设它导通（看作短路）或截止（看作开路），然后再按已学电路分析方法分析，若分析结果（二极管两端电压与电流）与原假设（导通或截止）的条件（正偏、零偏或反偏）矛盾，则再做相反假设，重新分析。,二极管的其他应用： 限幅、续流、钳位（见教材P79，自学）,43,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压（二极）管顾名思义“稳定电压”？,U,UZ,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,特点： 1 反向工作 2 反向击穿可逆 3 反向特性曲线陡 4 反向击穿电压低,mA,mA,44,稳压二极管的参数,（1）稳定电压 UZ,（2）电压

15、温度系数U（%/）,稳压值受温度变化影响的的系数。可取 正负两种值。（6V左右U0，最好）,（3）动态电阻,45,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流 Izmax 、Izmin 。（结合伏安特性讲二者作用）,（5）最大允许功耗,46,Uo,IZ,IR, Uo（UiIR）,？,47,练习与思考：1.1.1、1.2.1、1.5.1作业：作业集题目：1.1、1.2、1.3、1.4 （交作业要求：全部都交，下周的本节课前交。 ）课后看书：第1章除1.4节以外的所有内容,48,*1.3.2 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,注意小箭头方向！,49,* 1.3.3 发光二极管,有正向电流流过

16、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。,注意小箭头方向！,50,1.4 半导体三极管（简称晶体管） 电子技术最核心的基本元件 作用： （电流）放大,51,1.4.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,52,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,结构上(不对称）的这种特征是放大的内部条件。,53,发射结,集电结,54,1.4.2 电流放大原理,EB,RB,Ec,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,1,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数“扩散”到

17、集电结。,55,EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结基区一侧的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,2,ECEB,56,IB=IBE-ICBOIBE,3,57,4,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏, 集电结反偏（这是放大的外部条件） ； 即： UBE 0 ， UCE0 ； 对PNP型管满足 UBE0 ， UCE0 。,58,NPN型三极管,PNP型三极管,图中所示各电流方向既是正方向，又是放大工作状态下的实际方向，不得改变各电流标示方向！,旧符号带圆圈,59,1.4.3 特性曲线,IC,实验线

18、路,输入端IB 、 UBE,输出端 IC、 UCE,名词解释：四端（二端口)网络,共射极接法,60,注意： 1、各电流与电压的符号与方向及其含义； 2、统一按规范的电流与电压的符号来标注; 3、对PNP型管子，电源极性与NPN型管子 相反，UBE0 UCE0;（双下标不可对调） 4、为满足放大的外部条件， 须 保证UBE UCE ,61,1、输入特性,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,62,2、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几乎与UCE无关，只与IB有关

19、，IC=IB。,63,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，称为饱和区。,64,此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,65,3、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：,（1）电流放大倍数和 ,66,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：,67,例：UCE=6V时：IB=40A IC=1.5mA IB=60A IC=2.3mA,在以后的计算中，一般作近似处理： =,68,（2）集-基

20、极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,69,（3）集-射极反向截止电流ICEO（穿透电流）,ICEO（1 ） ICBO,70,（4）集电极最大电流ICM,集电极电流 IC 上升会导致三极管的 值的下降，当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,所以集电极电流应为：IC= IB+ICEO,而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,71,（5）集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,72,（6）集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCPCM,73,IC