电工学第六章教案

第六章电子器件6.1半导体器件6.1.1本征半导体一、本征半导体1．概念：导电能力介于导体和绝缘体之间。2．本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。3．本征激发：在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。4．空穴：讲解其导电方式；5．自由电子6．复合：自由电子与空穴相遇，相互消失。7．载流子：运载电荷的粒子。二、杂质半导体1.概念：通过扩散工艺，掺入了少量合适的杂质元素的半导体。2.N型半导体（图1.1.3）1．形成：掺入少量的磷。2．多数载流子：自由电子3．少数载流子：空穴4．施主原子：提供电子的杂质原子。3.P型半导体（图1.1.4）1．形成：掺入少量的硼。2．多数载流子：空穴3．少数载流子：自由电子4．受主原子：杂质原子中的空穴吸收电子。5．浓度：多子浓度近似等于所掺杂原子的浓度，而少子的浓度低，由本征激发形成，对温度敏感，影响半导体的性能。6.1.2PN结一、PN结的形成（图1.1.5）1．扩散运动：多子从浓度高的地方向浓度低的地方运动。2．空间电荷区、耗尽层（忽视其中载流子的存在）3．漂移运动：少子在电场力的作用下的运动。在一定条件下，其与扩散运动动态平衡。4．二极管二、二极管的单向导电性1．二极管外加正向电压：导通状态2．二极管外加反向电压：截止状态三、二极管的伏安特性1．正向特性、反向特性2．反向击穿：齐纳击穿（高掺杂、耗尽层薄、形成很强电场、直接破坏共价键）、雪崩击穿（低掺杂、耗尽层较宽、少子加速漂移、碰撞）。四、二极管的主要参数1.最大整流电流IF：长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压UR：工作时，所允许外加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。3.反向电流IR：未击穿时的反向电流。越小，单向导电性越好；此值对温度敏感。4.最高工作频率fM：上限频率，超过此值，结电容不能忽略。五、稳压二极管一、符号及特性：二、稳压管的主要参数1．稳定电压UZ：反向击穿电压，具有分散性。2．稳定电流IZ：稳压工作的最小电流。6.1.3双极型晶体管双极型晶体管（BJT:BipolarJunctionTransistor）几种晶体管的常见外形（图1.3.1）一、结构及符号1.构成方式：同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结。2.结构：三个区域：基区（薄且掺杂浓度很低）、发射区（掺杂浓度很高）、集电区（结面积大）；三个电极：基极、发射极、集电极；两个PN结：集电结、发射结。3.分类及符号：PNP、NPN二、晶体管的电流放大作用1.基本共射放大电路（图1.3.3）输入回路：输入信号所接入的基极－发射极回路；输出回路：放大后的输出信号所在的集电极－发射极回路；共射放大电路：发射极是两个回路的公共端；放大条件：发射结正偏且集电结反偏；放大作用：小的基极电流控制大的集电极电流。2．共射直流电流放大系数：CBOBCBOCBCNIIIIII3．共射交流电流放大系数：当有输入动态信号时，Bcii三、特性曲线1.输入特性曲线（图1.3.5）常数CEuBEBufi)(，解释曲线右移原因，与集电区收集电子的能力有关。2.输出特性曲线（图1.3.6）常数BICECufi)(（解释放大区曲线几乎平行于横轴的原因）截止区：发射结电压小于开启电压，集电结反偏，穿透电流硅1uA，锗几十uA；放大区：发射结正偏，集电结反偏，iB和iC成比例；饱和区：双结正偏，iB和iC不成比例，临界饱和或临界放大状态（0CBu）。四、主要参数1.电流放大系数共射直流电流系数、共射交流电流放大系数2.极间反向电流CBOI、CEOI3.极限参数（图1.3.7）1．最大集电极耗散功率CMP；2．最大集电极电流CMI：使明显减小的集电极电流值；3．极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压，UCBO几十伏到上千伏、UCEO、UEBO几伏以下。CEOCERCESCEXCBOUUUUU1.3.6光电三极管一、构造：（图1.3.10）二、光电三极管的输出特性曲线与普通三极管类似（图1.3.11）三、暗电流：ICEO无光照时的集电极电流，比光电二极管的大，且每上升25度，电流上升10倍；四、光电流：有光照时的集电极电流。6.1.4场效应管结型场效应管绝缘栅型场效应管一、绝缘栅场效应管的结构和符号1.N沟道增强型MOS管(1)结构：衬底低掺杂P，扩散高掺杂N区，金属铝作为栅极；(2)工作原理：栅源不加电压，不会有电流；0DSu且0GSu时，栅极电流为零，形成耗尽层；加大电压，形成反型层（导电沟道）；开启电压)(thGSU；GSu)(thGSU为一定值时，加大DSu，Di线性增大；但DSu的压降均匀地降落在沟道上，使得沟道沿源－漏方向逐渐变窄；当GDu＝)(thGSU时，为预夹断；之后，DSu增大的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，Di出现恒流。此时，对应不同的GSu就有不同的Di，从而可以将Di看为电压GSu控制的电流源。2.N沟道耗尽型MOS管3.P沟道MOS管：漏源之间加负压二、场效应管的主要参数1．开启电压UGS(th)：是UDS一定时，使iD大于零所需的最小GSU值；2．夹断电压UGS(off)：是UDS一定时，使iD为规定的微小电流时的uGS；3．饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在UGS＝0情况下，产生预夹断时的漏极电流；4．直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流之比，MOS管大于910。5．低频跨导：常数DSUGSDmuig6．极间电容：栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd、1～3pF，漏源电容Cds0.1～1pF7．极限参数最大漏极电流IDM：管子正常工作时，漏极电流的上限值；击穿电压：漏源击穿电压U(BR)DS，栅源击穿电压U(BR)GS。最大耗散功率PDM：安全注意：栅源电容很小，容易产生高压，避免栅极空悬、保证栅源之间的直流通路。