第1章-半导体器件

第1章半导体器件第1章半导体器件第1节半导体基础第2节半导体二极管第3节稳压二极管第4节晶体三极管第5节场效应管第1章重点•PN结的形成及其单向导电性•二极管的伏安特性•三极管的工作原理与伏安特性•场效应管的工作原理、特性曲线第1节半导体基础一、半导体导体：很容易导电的物质。如：金属等绝缘体：几乎不导电的物质。如：橡皮、陶瓷、塑料、石英等半导体：导电特性处于导体与绝缘体之间的物质。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等当受外界热和光等作用时，它的导电能力明显提高。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。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi1.本征半导体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。硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子Si硅和锗的晶体结构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，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很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4本征半导体的导电机理+4+4+4+4空穴吸引临近的电子对中的电子来填补，这样的现象，结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为：空穴也是载流子。载流子：自由电子，空穴。成对出现，成对消失。空穴自由电子束缚电子热激发2.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，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体称为P型半导体（空穴半导体）。+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子P型半导体+4+4+3+4空穴硼原子杂质半导体的示意表示法++++++++++++++++++++++++N型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体1、本征半导体中为什么成对产生自由电子和空穴?2、N型半导体中的载流子是什么？自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。3、P型半导体中的载流子是什么？自由电子称为少数载流子（少子），空穴称为多数载流子（多子）。4、多数载流子由什么决定？少数载流子由什么决定？多子扩散运动少子漂移运动++++P型半导体N型半导体++++++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－内电场E空间电荷区,耗尽层,阻挡层二、PN结的形成结合→浓差→多子扩散→界面复合,空间电荷区→形成内电场E方向(N→P)静电场作用a.阻碍多子扩散,但是扩散愈多E愈强;b.利于少子漂移,但漂移愈多，E愈弱。最终→动态平衡,稳定.耗尽,阻挡层,空间电荷区→PN结PN结扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。电位VV0PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流，PN结导通。三、PN结的单向导电性PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被加强，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，PN结截止。PN结的单向导电性正向偏置PN结导通反向偏置PN结截止少子漂移电流(微)(P区高电位、N区低电位)(P区低电位、N区高电位)多子扩散电流（大）引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型第2节半导体二极管一、结构和类型PN结加上引线和管壳，就成为半导体二极管。符号阳极正极阴极负极二、伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)线性工作区门坎区死区反向饱和区反向击穿区死区电压硅管0.6V锗管0.2V三、主要参数1、最大整流电流IF长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压URM允许施加的最高反向电压，为击穿电压UBR的一半左右。3、反向电流IR指二极管加反向工作电压时的反向电流。反向电流越小越好。受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。4、最高工作频率fMrd势垒电容和扩散电容的综合效应四、理想二极管含义：正偏时，二极管完全导通（死区电压为零，正向管压降为零，正向导通电阻为零），相当于开关闭合导通；反偏时，二极管完全截止（反向电流为零，反向电阻为无穷大），相当于开关断开、开路。相当于理想的开关。二极管的应用是主要利用它的单向导电性。包括整流、限幅、保护、检波、开关、信号处理等等。五、主要应用例1：二极管的应用例2：二极管的应用：假设截止法(反证,定二极管通断)1.断开V,2.绘V+,V-波形,3.比较,V+V-二级管导通(短路处理)V+V-二级管截止(断开处理)例3：二极管的应用：求ID1.判断二极管是否导通？方法：先断开二极管，再求电压U。2.求ID例4：二极管的应用：2.72.78.72.7已知两个二极管的管压降均为0.7V，求UF。抢先导通第3节稳压二极管U稳压误差IUZIZIZmaxUZIZ+-曲线越陡，电压越稳定。特点：1、通常工作在反向击穿区；2、反向击穿特性较陡。伏安特性主要参数1、稳定电压UZ；2、稳定电流IZ；最大稳定电流IZM；3、电压温度系数CTU（±%/℃）；4、最大允许功耗PZM=UZIZM；5、动态电阻RZ；越小输出电压越稳定。ZZIUZRIRLR整流滤波电路~220VUZIILIZUi限流电阻R=？ImaxminmaxminmaxminzLzizLziIIUURIIUU并联稳压电路电流调节：DZ电压调节：R光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加发光二极管有正向电流流过时，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。正向电压比较大光电耦合器电光电特点：输入与输出电气绝缘作用：抗干扰、隔噪声应用举例：~220V+5V思考题1、本征半导体是如何导电的？2、N型半导体中的多数载流子是什么？P型半导体呢？3、多数载流子与什么有关？少数载流子呢？4、PN结加什么电压使空间电荷区变窄？有利于什么运动？5、稳压二极管与普通二极管的区别在哪里？6、二极管的死区电压是什么的反映？7、半导体器件的性能为什么受温度的影响比较大？8、什么叫PN结的单向导电性？9、怎样用万用表判断二极管的极性？10、二极管能否起稳压作用？如能，举例说明。P32：1.6.2；1.6.5；1.6.7第4节晶体三极管一.基本结构、分类、符号BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高集电结发射结晶体管放大的外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。晶体管放大的内部条件：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。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。二.晶体管的电流放大作用BECNNPEcIEIBEEBRBICIB从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成IC。IC/IB=β=βIB+IC=IEBECIBIEICPNP型三极管BECIBIEICNPN型三极管放大区电压和电流实际方向三、晶体管的特性曲线实验线路工作压降：硅管UBE0.6~0.7V锗管UBE-0.2~-0.3V死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。1、输入特性（同二极管）IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V当UCE大于一定的数值时，IC基本只与IB有关，IC=IB。2、输出特性条件：发射结正偏,集电结反偏。功能：放大IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A线性放大区IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCES0.3V称为饱和区。条件：发射结正偏集电结正偏功能：RCE≈0近似电子开关接通饱和区IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEOUBE死区电压，称为截止区。条件：发射结反偏集电结反偏IB=0功能：RCE≈∞近似电子开关断开截止区例1.已知EC=10V,EB=5V,UBE=0.7V,RC=3kΩ，RB=200kΩ，β=100，求：1）IB，IC.判断三极管是否处于放大状态.2）当RB=100kΩ时，三极管是否处于放大状态？解：1）IB=EB－UBERB5－0.7200＝＝21.5μA0.0215mA＝Ic≈βIB2.15mA＝UCE=EC–ICRC＝10－2.15×3＝3.55VUBE=0.7V,说明发射结正偏，集电结反偏，故三极管处于放大状态。2).集电极临界饱和电流：ICS=EC－UCESRCECRC≈0.33mA＝基极临界饱和电流：IB=EB－UBERBIBS≈Ic/β=33μA当RB=100kΩ时，基极电流：＝43μAIBS故三极管处于饱和状态。例2.测得在放大状态的两个三极管的电位分别为：2.5V、3.2V、9V和－0.7V、－1V、－6V，试判断这两个三极管的类型和管脚。解：三极管在放大状态。说明发射结正偏，集电结反偏。对NPN：UBE0、UBC0。说明VCVBVENPN型三极管一般为硅管UBE=0.7V，PNP型三极管一般为锗管UBE=－0.3VBECBEC对PNP：UBE0、UBC0。则为VCVBVE四、主要参数1.电流放大系数β=Ic/Ib=IC/IB(一般40-200)2.集-基反向饱和电流ICBO(CB之间PN结反向电流)3.穿透电流ICEO=(1+β)ICBOICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区4.集电极最大电流ICM5.集射反向击穿电压UCEO6.集电极最大耗散功率PCM五.温度对三极管参数影响第5节场效应管场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，称为单极型晶体管，是电压控制电流器件。输入阻抗高，温度稳定性好。一、场效应管的基本结构、分类结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOSPGSDNNPNNNNPN+GSDBN+PNNGSD金属铝导电沟道GSDN沟道增强型N沟道耗尽型GSDPNNGSD予埋了导电沟道NPPGSDGSDP沟道增强型P沟道耗尽型GSDNPPGSD予埋了导电沟道PNNGSDUDSUGSUGS=0时D-S间相当于两个PN结ID=0对应截止区二、MOS管的工作原理PNNGSDUDSUGSUGS0时UGS足够大时（UGSVT）感应出足够多电子，这里以电子导电为主出现N型的导电沟道。感应出电子VT称为阈值电压PNNGSDUDSUGSUGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。PNNGSDUDSUGS当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。PNNGSDUDSUGSUDS增加，UGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。夹断后ID呈恒流特性。ID增强型N沟道MOS管的特性曲线转移特性曲线0IDUGSUGS（TH）UGS0IDUDS0输出特性曲线三、场效应管的特性曲线耗尽型N沟道MOS管的特性曲线耗尽型的MOS管UGS=0