半导体晶体管和场效应管.ppt

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1、电工技术基础与工程应用,第1章 半导体晶体管和场效应管,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,本章小结,第3节 绝缘栅场效应晶体管,第2节 晶体三极管与交流放大法电路,第1节 半导体的基础知识,第1章 半导体晶体管和场效应管,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 物理基础1.1.2 本征半导体1.1.3 杂质半导体1.1.4 PN结,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,半导体-导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。与导体的电阻率相比较，半导体的电阻率有以下特点：1对温度反映灵敏(热敏性)2杂质的影响显著(掺杂性)极微量的杂质掺在半导体中，

2、会引起电阻率的极大变化。3光照可以改变电阻率(光敏性)温度、杂质、光照对半导体电阻率的上述控制作用是制作各种半导体器件的物理基础。,1.1.1 物理基础,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.1.2 本征半导体,半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,本征半导体,纯净的半导体。如硅、锗单晶体。,载流子,自由运动的带电粒子。,共价键,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,硅(锗)的原子结构,简化模型,硅(锗)的共价键结构,自由电子,(束缚电子),空穴可在共价键内移动,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,本征激发：,复 合：,自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,

3、漂 移：,自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。,1.1.2 本征半导体,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,两种载流子,电子(自由电子),空穴,两种载流子的运动,自由电子(在共价键以外)的运动,空穴(在共价键以内)的运动,半导体的导电特征,I,IP,IN,I=IP+IN,电子和空穴两种载流子参与导电,在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成电子电流IN。空穴顺着电场方向移动，形成空穴电流IP。,1.1.2 本征半导体,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,本征半导体

4、中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如果有控制、有选择地掺入微量的有用杂质（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的杂质半导体。,1.1.3 杂质半导体,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.本征半导体中电子空穴成对出现,且数量少；,2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；,3.本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外 界条件有关。,结论,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1、N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入五价元 素磷。,N 型,磷原子,自由电子,电子为多数载流子,空穴为少数载流子,载流子数 电子数,多数载流子,少数载流子,N 型半导体的简化图示,

5、电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,P 型,硼原子,空穴,空穴 多子,电子 少子,载流子数 空穴数,2、P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入三价元 素硼。,P型半导体的简化图示,多数载流子,少数载流子,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.1.4 PN结,二、复合使交界面形成空间电荷区 空间电荷区特点:无载流子、阻止扩散进行、利于少子的漂移。,(耗尽层),三、扩散和漂移达到动态平衡扩散电流 等于漂移电流，总电流 I=0。,内电场,扩散运动：由浓度差引起的载流子运动。漂移运动：载流子在电场力作用下引起的运动。,1.PN结的形成,一、载流子的浓度差引起多子的扩散,电工技术基础与工程

6、应用-电子技术-电子技术,一、加正向电压(正向偏置)导通,内电场,外电场,外电场使多子向 PN 结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。,扩散运动加强形成正向电流 I。,I=I多子 I少子 I多子,二、加反向电压(反向偏置)截止,外电场使少子背离 PN 结移动，空间电荷区变宽。,PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,漂移运动加强形成反向电流 I,I=I少子 0,2 PN结的单向导电性,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,PN结两端电压和流经PN结的电流之间有如下关系式中，是反向饱和电流，UT=kT/q是温度电压当量，T是热力学温度，q是电

7、子的电量，在T为300 K时，UT26 mV。4PN结的反向击穿当反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。,3 PN结方程,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.2 晶体二极管,1.2.1 基本结构,1.2.2 伏安特性,1.2.3 主要参数,1.2.4 特殊二极管,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.2.1 基本结构,构成：,PN结+引线+管壳=二极管(Diode),符号：,分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.2.

8、2 伏安特性,正向特性,Uth,死区电压,iD=0,Uth=0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),U Uth,iD 急剧上升,0 U Uth,反向特性,U(BR),反向击穿,U（BR)U 0,iD,0.1 A(硅),几十A(锗),U U（BR）,反向电流急剧增大,(反向击穿),击穿电压,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿：,反向电场太强，将电子强行拉出共价键。,雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。,PN结未损坏，断电即恢复。,PN结烧毁。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.IOM

9、最大整流电流（最大正向平均电流）,2.URM 最高反向工作电压，为U(BR)/2,3.IRM 最大反向电流（二极管加最大反向电压时的 电流，越小单向导电性越好）,1.2.3 主要参数,特殊二极管,1稳压二极管稳压管的反向击穿是可逆的，只要去掉反向电压，稳压管就会恢复正常。但是，如果反向击穿后的电流太大，超过其允许范围，就会使稳压管的PN结发生热击穿而损坏。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,符号,工作条件：反向击穿,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,主要参数,1.稳定电压 UZ和稳定电流 IZ UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电

10、压值。IZ越大稳压效果越好，小于 Imin 时不稳压。,3.最大工作电流 IZMax 和最大耗散功率 PZM 如果管子的电流超过最大稳定电流Izmax，将会使管子的实际功率超过最大允许耗散功率，管子将会发生热击穿而损坏。,4.动态电阻 rZ,rZ=UZ/IZ,越小稳压效果越好。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,2.发光二极管 LED(Light Emitting Diode),特点：驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高.用途：(1).用于显示电路；(2).将电信号变为光信号，通过光电缆传输，再用光电二极管接收，还原成电信号。,发光类型：,可见光：红、黄、绿,显示类型：普通LED，七

11、段 LED，点阵 LED,不可见光：红外光,符号,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,3.光电二极管,工作状态-反向偏置,将光信号转为电信号的半导体器件,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.3 晶体三极管与交流放大电路,1.3.1 晶体管的基本结构,1.3.2 电流放大作用,1.3.3 特性曲线,1.3.4 主要参数,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.3.1 晶体管的基本结构,晶体管（三极管）是最重要的一种半导体器件。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,一、结构,铟球,铟球,电工技术基础与工程应用-电子技术

12、-电子技术,三层半导体材料构成NPN型、PNP型,发射极 E,基极 B,集电极 C,发射结,集电结,基区,发射区,集电区,emitter,base,collector,NPN 型,各区主要作用及结构特点：发射区：作用：发射载流子 特点：掺杂浓度高基区：作用：传输载流子 特点：薄、掺杂浓度低集电区：作用：接收载流子 特点：面积大,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管,PNP 型,二、类型,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.3.2 电流放大作用,一、晶体管放大的条件,1.内部条件,发射区掺杂浓度高,基区薄

13、且掺杂浓度低,集电结面积大,2.外部条件,发射结正偏,集电结反偏,二、晶体管的电流分 配和放大作用,实验电路,电路条件:ECEB 发射结正偏 集电结反偏,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.测量结果,(2)IC和IE比IB大得多,(3)IB 很小的变化可以引起 IC很大的变化。即：基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是晶体管的放大作用。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,2.晶体管内部载流子的运动规律,(1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流 IE。,I CE,多数向 BC 结方向扩散形成ICE。,IE,少数与空穴复合，形成 IBE。,I BE,基区空穴

14、来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,IBE IB+ICBO,即：,IB=IBE ICBO,(3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC,IC,I C=ICE+ICBO,(2)电子到达基区后,(基区空穴运动因浓度低而忽略),电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,3.晶体管的电流分配关系,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,IB=I BN ICBO,IC=ICN+ICBO,(直流电流放大倍数）,总结：1.晶体管在发射结正向偏置、集电结反向偏置的条件下具有电流放大作用。2.晶体管的电流放大作用，实

15、质上是基极电流对集电极电流的控制作用。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.3.3 特性曲线,1.输入特性,输入回路,输出回路,与二极管特性相似,特性基本重合(电流分配关系确定),特性右移(因集电结开始吸引电子),导通电压 UBE,Si 管:(0.6 0.8)V,Ge管:(0.2 0.3)V,取 0.7 V,取 0.2 V,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,2.输出特性,1.调整RB使基极电流为某一数值。2.基极电流不变，调整EC测量集电极电流和uCE 电压。,输出特性曲线,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,（1）截止区：IB 0 IC=ICEO 0条件：两个结

16、反偏,（2）放大区：,（3）饱和区：,uCE u BE,uCB=uCE u BE 0,条件：两个结正偏,特点：I C IB,临界饱和时：uCE=uBE,深度饱和时：,0.3 V(硅管),U CE为：,0.1 V(锗管),放大区,截止区,饱和区,条件：发射结正偏 集电结反偏特点：水平、等间隔,ICEO,输出特性曲线,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,一般为几十 几百,Q,2.穿透电流,是指基极开路(IB=0)时，集电极到发射极间的电流。,1.3.4 主要参数,1.放大系数,交流电流放大系数,直流电流放大系数,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,3.ICM 集电极最大允许电流，超

17、过时 值明显降低。,5.PCM 集电极最大允许功率损耗,PC=IC UCE。,4.U(BR)CEO 基极开路时 C、E极间反向击穿电压。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.4 场效应管,场效应管也称做MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。,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。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1.4.1 绝缘栅场效应管,

18、绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称MOSFET。分为：增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,1.增强型绝缘栅场效应管（1）结构 4个电极：漏极D，源极S，栅极G和 衬底B。,符号：,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,当uGS0V时纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,（2）工作原理,当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,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。,栅源电压uGS的控制作用,

19、电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,定义：开启电压（UT）刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。,N沟道增强型MOS管的基本特性：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。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用,当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。（设UT=2V，uGS=4V）,（a）uds=0时，id=0。,（b）uds id；同时沟道靠漏区变窄。,（c）当uds增加到使ugd=UT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。,（d）uds

20、再增加，预夹断区加长，uds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,输出特性曲线,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,转移特性曲线,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,一个重要参数跨导gm：,gm=iD/uGS uDS=const(单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,2耗尽型绝缘栅场效应管,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

21、uGS0时，沟道变窄，iD减小。,定义：夹断电压（UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,N沟道耗尽型场效应管的特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,跨导（gm）是当漏源电压UDS为常数时，漏极电流的增量ID对引起这一变化的栅源电压UDS的比值，即：跨导是衡量场效应晶体管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数，它的单位是A/V或mA/V。,跨导,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,1半导体有自由电子和空穴两种载流子参与导电。2PN结零偏时扩散运动和漂移运动达到动态平衡。PN结具有单向导电性。反偏

22、电压超过反向击穿电压值后PN结被反向击穿，单向导电性被破坏。3二极管由PN结构成，硅二极管的正向导通电压UBE(on)0.7V，锗管UBE(on)0.2V。4普通二极管电路在大信号状态，将二极管等效为理想二极管。5稳压二极管、发光与光电二极管结构与普通二极管类似，均由PN结构成。但稳压二极管工作在反向击穿区，主要用途是稳压。,本章小结,电工技术基础与工程应用-电子技术-电子技术,6三极管是具有放大作用的半导体器件，根据结构及工作原理的不同可分为双极型和单极型。7晶体三极管是由两个PN结组成的有源三端器件，分为NPN和PNP两种类型，根据材料不同有硅管和错管之分。8晶体三极管因偏置条件不同，有放大、截止、饱和三种工作状态。9晶体三极管的极限参数ICM、PCM和UBR（CEO），以防止三极管损坏或性能变劣。10.场效应管有耗尽型和增强型，耗尽型在uGS0时存在导电沟道，而增强型只有在栅源电压值大于开启电压后，才会形成导电沟道。,