大学物理课件：半导体器件

1.本征半导体的结构1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体及杂质半导体硅和锗是四价元素，它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。2.电子空穴对1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体及杂质半导体本征半导体因热激发而出现自由电子和空穴，它们是成对出现的。3．杂质半导体⑴N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质，则形成N型半导体，电子为多数载流子，空穴为少数载流子，主要依靠电子导电。1.1半导体基础知识3．杂质半导体⑵P型半导体1.1半导体基础知识在本征半导体中掺入三价杂质，则形成P型半导体，空穴为多数载流子，电子为少数载流子，主要依靠空穴导电。1.1.2PN结1．PN结的形成当N型半导体和P型半导体结合在一起时，由于交界处两侧载流子存在浓度差，引起扩散，结果在交界面的两侧形成了空间电荷区，空间电荷区产生一个内电场，其方向由N区指向P区，内电场不利于扩散，但有利于漂移，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡，就形成了一个稳定的PN结。1.1半导体基础知识2．PN结的单向导电特性1.1半导体基础知识PN结的单向导电性是指结在正向电压作用下导通，在反向电压作用下截止。⑴PN结加正向电压⑵PN结加反向电压1.2.1二极管的结构⑴点接触型二极管点接触型二极管的结面积很小，所以不能通过较大的电流；但结电容很小，所以适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件。1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构⑵面接触型二极管1.2半导体二极管面接触型二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，适用于整流电路；但结电容也大，不宜用于高频电路。1.2.2二极管的伏安特性1．正向特性1.2半导体二极管当正向电压较小时，外电场不足以克服内电场的作用，正向电流几乎为零，二极管截止；当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这时二极管导通。1.2.2二极管的伏安特性2．反向特性当反向电压小于击穿电压时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流称反向饱和电流；当反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加，这时二极管反向击穿。1.2半导体二极管1.2.2二极管的伏安特性1.2半导体二极管3．温度对二极管伏安特性曲线的影响4．晶体二极管电路的分析⑴二极管电阻1.2半导体二极管VDVDVDIURVDVDVDIURVDVDVDIURVDVDVDIURVDVDVDIURVDVDVDIURIUdIdUrTvd直流电阻交流电阻4．晶体二极管电路的分析⑵二极管的等效电路1.2半导体二极管解：1.2半导体二极管VE5VE5〖例1-1〗二极管电路如图所示，已知，输入为正弦波，二极管的正向压降和反向电流均可忽略。试画出输出电压的波形。VE5)(sin30Vtui1.2.3二极管的参数最大整流电流：二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。1.2半导体二极管最高反向工作电压：二极管工作时允许外加的最大反向电压。反向电流：二极管未击穿时的反向电流。最高工作频率：二极管工作时的上限频率。1.3.1三极管的结构1.3半导体三极管三极管具有电流放大作用的内部条件是：⑴基区做得很薄，而且掺杂浓度低。⑵发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。⑶集电区比发射区体积大，且掺杂浓度低。1.3半导体三极管1.3.1三极管的结构1.3.2三极管的工作原理1.3半导体三极管三极管具有电流放大作用的外部条件是：1、发射结加正向电压；2、集电结加反向电压。1.3半导体三极管1.3.2三极管的工作原理1．晶体管内部载流子的传输过程：2．电流分配关系3．共射极直流电流放大系数4．共射极交流电流放大系数5．三极管共基极电流放大系数1.3半导体三极管1.3.2三极管的工作原理BCEIIIBCIIBCii11.3.3三极管的特性曲线1．输入特性曲线1.3半导体三极管常数CEuBEBufi)(2.输出特性曲线1.3半导体三极管1.3.3三极管的特性曲线常数）BiCECufi(由输出特性曲线可以分为三个区域：⑴放大区1.3半导体三极管1.3.3三极管的特性曲线⑵截止区⑶饱和区发射结正偏，集电结反偏。仅决定于，而与无关。CiBiCEu发射结反偏，发射区不能发射电子，各极电流为零。发射结正偏，集电结正偏。随增大而增大。不成立CEuCiBiCiCiBiCEuCi1.3.4三极管的主要参数1．电流放大系数共射与共基电流放大系数的关系为：2．极间反向电流3．极限参数1CBOCEOII)1(1.3半导体三极管1.4场效应管1.4.1结型场效应管的结构和工作原理N沟道场效应管，是在一块N型半导体的两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂（）型区，形成两个PN结，将两个区接在一起引出一个电极，称为栅极，在N型半导体的两端引出源极（电子发源端）和漏极（电子接收端）。P1.结构⑴栅源电压对沟道的控制1.4场效应管2．工作原理1.4.1结型场效应管的结构和工作原理1.4场效应管⑵漏源电压对沟道的控制2．工作原理1.4.1结型场效应管的结构和工作原理1.4.2结型场效应管的特性曲线和参数1．特性曲线1.4场效应管(a)输出特性曲线(b)转移特性曲线1.4场效应管1.4.2结型场效应管的特性曲线和参数2．参数0Di时，。)(offGSU)(offGSGSUu⑴夹断电压：当栅源电压DSSI0GSu⑵饱和漏极电流：当所对应的漏极电流。GSR⑶直流输入电阻：等于栅源电压与栅极电流的比值DSBRU)(。DSu⑷最大漏源击穿电压骤然增大的Di：使⑸低频跨导：常数DSuGSDmuig。DMP⑹最大漏极功耗1.4.3增强型绝缘栅场效应管的结构和工作原理1．N沟道增强型MOS管的结构1.4场效应管2．工作原理⑴栅源电压的控制作用1.4场效应管1.4.3增强型绝缘栅场效应管的结构和工作原理当栅源电压为零时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，不存在导电沟道；当栅极电压超过某一临界值后，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成N沟道，因其与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层，使沟道刚刚形成的栅—源电压的临界值称为开启电压。1.4场效应管1.4.3增强型绝缘栅场效应管的结构和工作原理2．工作原理⑵漏源电压对漏极电流的控制作用当漏源电压较小时，沟道呈斜线分布，漏极电流取决于漏源电压；当漏源电压增大到出现预夹断点后，再增加漏源电压，漏极电流基本不变。1.特性曲线1.4场效应管1.4.4增强型绝缘栅场效应管的特性曲线和参数2.参数增强型场效应管的参数与结型场效应管基本相同，但不用夹断电压而用开启电压表征管子的主要性能。1.4场效应管1.4.4增强型绝缘栅场效应管的特性曲线和参数〖例1-3〗电路及输出特性曲线如图所示，当时，场效应管输出电压的值为多少？。，VV、uI61。截止，时，)(121VUuVFVuCCoI解：。，工作在恒流区，时，)(175.113.325.01225.01VRiUuumAiVFVuDDCCDSoDI1.4场效应管1.4.5耗尽型绝缘栅场效应管的工作特点栅源电压为零时，有导电沟道的管子称为“耗尽型”场效应管。1.4场效应管表1-2各种场场效应管的特性比较1.4场效应管表1-2各种场场效应管的特性比较1.4场效应管表1-2各种场场效应管的特性比较