常用的半导体器.ppt
第1章 常用半导体器件,1.1 PN结,光敏性：当收到光照时，导电能力明显变化。,参杂性：往纯净的半导体中参入某种杂质，导电能力明显 改变。,半导体的导电特性1.半导体的特点,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。,2、本征半导体,本征半导体纯净的、不含其他杂质的半导体,本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,半导体的导电特性,形成：在本征半导体中掺入微量三价元素。,(1)P型半导体,3.杂质半导体,半导体的导电特性,多数载流子空穴,少数载流子电子,3.杂质半导体,形成：在本征半导体中掺入微量五价元素。,(2)N型半导体,半导体的导电特性,多数载流子电子,少数载流子空穴,1.PN结的形成,1.1.2 PN结,动态平衡,形成空间电荷区,PN结形成,P型和N型半导体结合,扩散运动,内电场建立,阻碍扩散运动促使漂移运动,多子浓度差,2.PN结的单向导电特性,（1）PN结正向偏置,正偏P区接电源正极，N区接电源负极。,PN结正偏时呈导通状态，正向电阻很小，正向电流很大。,1.1.2 PN结,（2）PN结反向偏置,反偏N区接电源正极，P区接电源负极。,PN结反偏时呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。,2.PN结的单向导电特性,1.1.2 PN结,（1）热击穿：不可逆，应避免。（2）电击穿：可逆。又分为雪崩击穿和齐纳击穿。无论发生哪种击穿，若对其电流不加以限制，都可能造成PN结的永久性损坏。,3.PN结的反向击穿特性,1.1.2 PN结,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管的结构,1.结构与符号,（a）点接触型,（b）面接触型,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管的结构,1.结构与符号,在PN结的两端各引出一根电极引线，然后用外壳封装起来就构成了半导体二极管（或称晶体二极管，简称二极管）。,1.2.1 二极管的结构,2.分类,（a）点接触型（b）面接触型（c）平面型,材料：硅二极管和锗二极管用途：整流、稳压、开关、普通二极管结构、工艺：点接触型、面接触型、平面型,1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型,1.二极管的伏安特性,伏安特性是指二极管两端的电压u与流过二极管电流i的关系。,反向饱和电流,1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型,（1）正向特性 当外加正向电压小于死区电压Uth 时，正向电流i0。Uth 又称开启电压或门坎电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。当正向电压继续增大至二极管完全导通后，两端电压基本为定值，称为二极管的正向导通压降。硅管约为0.60.8V（通常取0.7V），锗管约为0.20.3V（通常取0.2V）。,1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型,（2）反向特性 外加反向电压时，反向电流很小（IIS），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。在室温下，硅管的反向饱和电流比锗管的小得多，小功率硅管的IS小于0.1A，锗管为几十微安。当反向电压达到U（BR）时，反向电流急剧增大，二极管击穿。U（BR）称为反向击穿电压，二极管一旦击穿，便失去单向导电性，使用时要注意。,1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型,2.温度特性 温度对二极管伏安特性的影响很大，如图中虚线部分为温度升高时的特性。特点概括如下：（1）当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动二极管的导通压降降低。（2）当温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动反向饱和电流IS增大。（3）当温度升高时，反向击穿电压U(BR)减小。,结论：二极管是非线性元件；二极管具有单向导电性。,1.2.3 二极管的主要参数,1.最大整流电流IFM,2.反向击穿电压UBM,3.反向电流IR,4.最高工作频率fM,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压二极管,稳压二极管是一种特殊工艺制造的面接触型硅二极管，通常工作在反向击穿状态。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。,1.基本概念,2.主要参数,(1)稳定电压VZ,1.3.1 稳压二极管,UZ是指稳压管在正常工作（流过的电流在规定范围内）时，稳压管两端的电压值。,（2）稳定电流IZ和最大稳定电流IZM,IZ是指稳压管在正常工作时的参考电流值，通常为工作电压等于UZ时所对应的电流值。当工作电流低于IZ时，稳压效果变差。若工作电流低于IZmin将失去稳压作用。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大反向电流，若工作电流高于IZM稳压管易击穿而损坏。,（3）最大耗散功率PZM PZM是指稳压管的稳定电压UZ与最大稳定电流IZM的乘积，它是由管子的温升所决定的参数。IZM和PZM是为了保证管子不发生热击穿而规定的极限参数。,1.3.1 稳压二极管,【例】图是稳压管稳压电路，其中R是限流电阻。已知UI=20V，R=1K，RL=1.5K，稳压管的稳定电压UZ=8V，最大整流电流IZmax=10mA。试求稳压管中通过的电流IZ是否超过IZmax。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻R。电阻R起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,1.3.1 稳压二极管,解：先假设稳压管开路，则,故稳压管能够击穿，UO=UZ=8V因为,所以,IZmax因为IZIZmax，故限流电阻选的合适。,发光二极管(LED)是一种将电能转化为光能的特殊二极管。根据材料的不同可发出红、绿、兰、黄光泽。其工作电压一般为(1.53V),工作电流为(10mA30mA)。,1.3.2 发光二极管,又称为光敏二极管，反向偏置时光照导通。反向电流随光照强度的增加而上升。是一种将光信号转化为电信号的特殊二极管,如影碟机中的激光二极管.,1.3.3 光电二极管,1.4 双极型三极管,双极型半导体三极管（简称BJT），又称为双极型晶体三极管或三极管、晶体管等。之所以称为双极型管，是因为它由空穴和自由电子两种载流子参与导电。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。,1.4.1 三极管的基本结构及类型,1.结构与符号,1.4.1 三极管的基本结构及类型,2.三极管的分类,按材料可分为：硅管和锗管两类。按工作频率高低可分为：低频管（3MHz以下）和高频管（3MHz以上）两类。按功率分为：大、中、小功率等。根据特殊性能要求可分为开关管、低噪声管、高反压管等等。,3.三极管结构特点,发射区的掺杂浓度最高。,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大。,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,1.电流放大条件,三极管的电流放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。内部条件：内部结构上的特点外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置,1.4.2 晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用,（1）电流分配关系,（2）电流放大关系,电流放大作用基极电流较小的变化引起集电极电流较大的变化，即小量控制大量的作用。,2.晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用,1.4.2 晶体三极管的电流分配关系及电流放 大作用,.输入特性曲线,1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。,（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。不同的UCE输入曲线几乎重合。,（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线,.输入特性曲线,1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线,输出特性是只在基极电流IB一定的情况下，集电极与发射极之间的电压uCE与集电极电流iC之间的关系，即,2.输出特性曲线,通常把输出特性曲线分成截止、饱和、放大三个工作区来分析半导体三极管的工作状态。,1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线,总结三极管三个工作区的特点，见表1.4.1.,表晶体管在不同工作状态下的特点,【例】测得工作在放大电路中两个晶体管管脚对地的电位分别如下表所列。试判断管型、电极及所用材料。,1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线,晶体管1 晶体管2,（1）晶体管1中，3脚电位最高，它是集电极C，且为NPN型管。1脚和2脚之间的电压为0.6V，可确定1脚是基极、2脚是发射极，且为硅管。,（2）晶体管2中，1脚电位最低，它是集电极C，且为PNP型管。2脚和3脚之间的电压为0.3V，可确定2脚是基极、3脚是发射极，且为锗管。,【例】在图中，给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位，试判定这些三极管是硅管还是锗管？处于哪种工作状态？,1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线,（a)(b)(c)图1.4.6 例图,（1）在（a）图中，晶体管为NPN型。因为UBE=0.7V，发射结正偏，为硅管。又因为VBVC，集电结也正偏，故工作在饱和状态。,【例】在图中，给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位，试判定这些三极管是硅管还是锗管？处于哪种工作状态？,1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线,（a)(b)(c)图1.4.6 例图,（2）在（b）图中，晶体管为NPN型。因为UBE=0.3V，发射结正偏，为锗管。又因为VBVC，集电结反偏，故工作在放大状态。,【例】在图中，给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位，试判定这些三极管是硅管还是锗管？处于哪种工作状态？,1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线,（a)(b)(c)图1.4.6 例图,（3）在（c）图中，晶体管为PNP型。因为UBE0.600.6V，发射结反偏（PNP型），又因为VBVC，集电结也反偏，故工作在截止状态。此时无法判别是硅管还是锗管。,ICEO=(1+)ICBO,1.4.4 晶体三极管的主要参数,1.4.4 晶体三极管的主要参数,4.温度对三极管参数的影响,3.极限参数,（1）集电极最大允许电流ICM,（2）集电极最大允许耗散功率PCM,（3）集电极击穿电压U(BR)CEO,（1）对IEBO、ICBO的影响温度每升高10，ICBO增大一倍。（2）对的影响温度每升高1，增加0.5%1.0%左右（3）对发射结导通电压UBE的影响温度每升高1，UBE 减小22.5 mV。,晶体三极管（BJT）是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,1.5 场效应管,场效应管分类,1.5 场效应管,1.5.1 绝缘栅场效应管,1.N沟道增强型MOS管,（1）结构及符号,栅源电压uGS的控制作用,（2）工作原理,当uGS=0V时，管子截止。ID0,当uGS0V时 纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,1.5.1 绝缘栅场效应管,1.N沟道增强型MOS管,再增加UGS 纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。,开启电压（UT）刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。,特性：uGS UT，管子截止，uGS UT，管子导通。uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。,（2）工作原理,1.5.1 绝缘栅场效应管,（3）特性曲线,1.5.1 绝缘栅场效应管,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,P沟道增强型MOS管,1.5.1 绝缘栅场效应管,2.N沟道耗尽型MOS管,1.5.1 绝缘栅场效应管,特点：当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。当uGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。当uGS0时，沟道变窄，iD减小。,夹断电压（UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS,2.N沟道耗尽型MOS管,1.5.1 绝缘栅场效应管,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。,1.5.1 绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型MOS管的漏极电流iD和漏源电压uGS之间的关系表达式为,式中，IDSS称漏极饱和电流。它是UGS=0时的漏极电流。,1.开启电压UT 栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,2.夹断电压UP 当uGS=UP时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流IDSS 当uGS=0时所对应的漏极电流。,4.输入电阻RGS 结型场效应管:RGS大于107 MOS场效应管:RGS可达1091015。,5.低频跨导gm 反映了栅压对漏极电流的控制作用。,1.5.2 场效应管的主要参数,
