第5章半导体器件三极管

第5章半导体器件5.2半导体二极管5.3稳压管5.4双极型晶体管5.5场效应晶体管5.6集成电路与晶闸管第5章目录5.1半导体的基础知识在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。本征半导体的共价键结构硅原子价电子第5章5.15.1.1本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+45.1半导体的基础知识+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失第5章5.1+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。空穴移动方向电子移动方向在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。价电子填补空穴第5章5.1+4+4+4+4+4+4+4+45.1.2N半导体和P型半导体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。磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子第5章5.1N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。第5章5.1+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+4硼原子填补空位+3负离子第5章5.1P型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子第5章5.1P区N区5.1.3PN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PN结。N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向第5章5.1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。第5章5.1内电场方向E外电场方向RI5.1.4PN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空间电荷区变窄扩散运动增强，形成较大的正向电流1.外加正向电压第5章5.1P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IR2.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第5章5.1正极引线触丝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二极管的符号正极负极5.2半导体二极管正极引线二氧化硅保护层P型区负极引线面接触型二极管N型硅PN结PN结第5章5.2600400200–0.1–0.200.40.8–50–100I/mAU/V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性5.2.2二极管的伏安特性反向特性阀值电压UDI/mAU/V0.40.8–40–80246–0.1–0.2锗管的伏安特性正向特性反向特性0第5章5.2UD=0.5vUD=0.2v5.2.3二极管的主要参数1.额定正向平均电流IF2.正向电压降UF3.最高反向工作电压UR例1：下图中，已知UA=3V，UB=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UY=3–0.3=2.7VDA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。DA–12VYABDBR二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。第5章5.24.最大反向电流IRmDE3VRuiuouRuD例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui=6sintV,E=3V,试画出uo波形。ttui/Vuo/V6330022–6第5章5.2t6302例3：双向限幅电路t03–3DE3VRDE3V第5章5.2uiuouRuDui/Vuo/V5.3稳压管IFUF0正向特性反向激穿区UZIminIZmaxDZ正极负极符号伏安特性稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。第5章5.30稳压管的主要参数1.稳定电压UZ2.最小稳定电流IZmin3.最大稳定电流IZmax4.动态电阻RZIZUZRZ=IZUZ第5章5.3IFUFIminIZmax(4)稳压二极管IZmax稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和Izmin之间时,其两端电压近似为常数正向同二极管稳定电流稳定电压RLuiuORDZiiziLUZ例：稳压二极管的应用稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200。若负载电阻变化范围为1.5k~4k，是否还能稳压？UZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）RLuiuORDZiiziLUZ三极管学习内容：5.4半导体三极管三极管两种类型：NPNPNP型三级管结构三极管三种工作状态：放大饱和截止三极管曲线特性：输入特性输出特性三极管主要参数：电流放大系数穿透电流集电极最大允许电流最大允许耗散功率5.4半导体三极管第5章5.41.NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极E5.4.1三极管的结构分类和符号PECB符号集电区集电结基区发射结发射区CBEN集电极C发射极E基极BNPPN2.PNP型三极管第5章5.4发射区向基区扩散电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子电子流向电源正极形成ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE三极管的电流控制原理EB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB第5章5.4UCCRCVBBRB三极管工作状态(一)放大状态UCCRCICUCECEBUBE共发射极接法放大电路输出回路输入回路公共端EBRBIBIERCUccECICEOB=ICIB(2)交流电流放大系数=ICIB(1)直流电流放大系数结论：放大状态特点•IB的微小变化引起IC的较大变化•Ic=IB，Ic是和IB决定的•0UCEUcc,UCE=Ucc-RCIC•晶体管相当于通路电流关系IE=IB+IC发射结正向偏置集电结反向偏置三极管工作状态(二)饱和状态UCCRCICUCECEBUBE共发射极接法放大电路EBRBIBIE结论：饱和状态特点电流关系IBRBUBEICUCE=Ucc-RCIC～～0•IB增加时，IC基本不变化•，Ic是UCC和RC决定的•UCE0•晶体管相当于短路～～UCCRCIc～～发射结正向偏置集电结正向偏置三极管工作状态(三)截止状态发射结反向偏置集电结反向偏置UCCRCICUCECEBUBE共发射极接法放大电路EBRBIBIE结论：放大状态特点•IB=0•Ic=0•UCE=Ucc•晶体管相当于开路模拟电路中晶体管主要工作在放大状态IBUBE0UCE≥1V1.三极管的输入特性IB=f(UBE)UCE=常数5.4.3三极管的特性曲线第5章5.4死区电压25°C75°C硅死区电压0.6~0.7锗死区电压0.2~0.3IB=40µAIB=60µAUCE0ICIB增加IB减小IB=20µAIB=常数IC=f(UCE)2.三极管的输出特性第5章5.4IC/mAUCE/V0放大区三极管输出特性上的三个工作区IB=0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µA第5章5.45.4.4三极管的主要参数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=ICIB2.穿透电流ICEO3.集电极最大允许电流ICM4.集--射反相击穿电压U(BR)CEO5.集电极最大允许耗散功率PCM极限参数使用时不允许超过!第5章5.4=ICIB60µA020µA1.52.3在输出特性上求,=ICIB=1.5mA40µA=37.5=ICIB=2.3–1.5(mA)60–40(µA)=40设UCE=6V,IB由40µA加为60µA。第5章5.4IC/mAUCE/VIB=40µA60IB=0µA20µA40µA60µA80µA由三极管的极限参数确定安全工作区安全工作区过损耗区PCM曲线第5章5.4IC/mAUCE/VICEOICMU(BR)CEOSiO2结构示意图5.5.1N沟道增强型绝缘栅场效应管P型硅衬底源极S栅极G漏极D5.5场效应管衬底引线BN+N+DBSG符号1.结构和符号第5章5.5SiO2结构示意图P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDUDSID=0D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第5章5.5P型硅衬底N++BSGD。耗尽层ID=0(2)0UGSUGS(th)由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动,电子向上移动,在P型硅衬底的上表面形成耗尽层。仍然没有漏极电流。UGSN+N+第5章5.5UDSP型硅衬底N++BSGD。UDS耗尽层ID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。(3)UGSUGS(th)N型导电沟道N+N+第5章5.5UGS结构示意图5.5.2N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+正离子N型沟道SiO2DBSG符号制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。第5章5.5N型硅衬底N++BSGD。耗尽层PMOS管结构示意图P沟道5.5.3P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5章5.5UGSUDSID1.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。SGDB符号ID/mA0UGS(th)转移特性2.P沟道耗尽型绝缘栅场效应管DBSG符号ID/mA0UGS(off)转移特性夹断电压UGS(off)为正值，UGSUGS(off)时导通。第5章5.5在UDS=0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。5.5.4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gmUDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导,即第5章5.5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。gm=ID/UGSUGS=常数跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。第1章1.6P227表8.6.1