模拟电子技术第1章常用半导体器.ppt
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1、第一章 半导体器件基础,1.1 半导体的基本知识,1.2 半导体二极管,1.3 半导体三极管及模型,1.4 场效应管,1.1 半导体的基本知识,在物理学中。根据材料的导电能力,可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge,它们都是4价元素。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时,所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中,不会成为自由电子,因此本征半导体的导电能力很弱,接近绝缘体。,一.本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为
2、“九个9”。,这一现象称为本征激发,也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时,束缚电子能量增高,有的电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。,自由电子,空穴,自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,称为空穴。,可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高(温度越高),产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下,本征激发和复合同时进行,达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时:,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,本征半导体的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。,导电机制
3、,二.杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,1.N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素,例如磷,砷等,称为N型半导体。,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入三价杂质元素,如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,2.P型半导体,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与温度无关,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散,促使少子漂移。,P
4、N结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,三.PN结及其单向导电性,1.PN结的形成,动画演示,动态平衡:,扩散电流 漂移电流,总电流0,2.PN结的单向导电性,(1)加正向电压(正偏)电源正极接P区,负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,(2)加反向电压电源正极接N区,负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下,由本征激发产生的少子浓度是一定的,故IR基本上与外加反压的大小无关,所以称为反向饱和电流。但IR与温
5、度有关。,PN结加正向电压时,具有较大的正向扩散电流,呈现低电阻,PN结导通;PN结加反向电压时,具有很小的反向漂移电流,呈现高电阻,PN结截止。由此可以得出结论:PN结具有单向导电性。,3.PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导,PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF(多子扩散),IR(少子漂移),反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,根据理论分析:,u 为PN结两端的电压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT=kT/q 称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子电荷量1.6109T 为热力学温度 对于室温(相当
6、T=300 K)则有UT=26 mV。,当 u0 uUT时,当 u|U T|时,1.2 半导体二极管,二极管=PN结+管壳+引线,结构,符号,二极管按结构分三大类:,(1)点接触型二极管,PN结面积小,结电容小,用于检波和变频等高频电路。,(3)平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。,(2)面接触型二极管,PN结面积大,用于工频大电流整流电路。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:,2AP9,一、半导体二极管的VA特性曲线,硅:0.5 V 锗:0.1 V,(1)正向特性,导通压降,(2)反向特性,死区电压,实验曲线,硅:0
7、.7 V 锗:0.3V,二.二极管的主要参数,(1)最大整流电流IF,二极管长期连续工作时,允许通过二极管的最大整流电流的平均值。,(2)反向击穿电压UBR,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。,(3)反向电流IR,在室温下,在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级;锗二极管在微安(A)级。,二极管的简易测试,用万用表(R100或R1K)测试:将万用表的红黑表笔分别接二极管两端,若测得阻值小,再将红黑表笔对调测试,测得电阻值大,则表明二极管完好且阻值小的那次测量中(导通)万用表黑表笔所连那端为正极(阳极),红表笔所连为二极管负极(阴极)
8、;若两次测量阻值都很小,则管子短路;都很大时则管子断路,此两种情况管子都已损坏。,四 二极管使用注意事项,1、二极管应按照用途、参数及使用环境选择;2、使用二极管注意极性,二极管承受的电流电压等不能超过手册规定极限值;3、焊接二极管时用的电烙铁应用35W以下的,焊接要迅速,且至少离外壳端面2mm,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,五.特殊二极管,1稳压二极管:应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,反偏电压UZ 反向击穿,UZ,稳压二极管的主要 参数,(1)稳定电压UZ,(2)动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工
9、作电流IZ下,所对应的反向工作电压。,rZ=U/I rZ愈小,反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3)最小稳定工作 电流IZmin,保证稳压管击穿所对应的电流,若IZIZmin则不能稳压。,(4)最大稳定工作电流IZmax,超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,2发光二极管,1)普通发光二极管2)红外线发光二极管3)激光发光二极管,3光电二极管,4变容二极管,1.3 半导体三极管及模型,半导体三极管,也叫晶体三极管。由于工作时,多数载流子和少数载流子都参与运行,因此,还被称为双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor,简称BJT)。BJT是由两个PN结组成的。,一.BJ
10、T的结构,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点:(1)发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。(2)基区要制造得很薄且浓度很低。,二.BJT的分类,1)按结构分:NPN管和PNP管;2)按制作材料分:硅管和锗管;3)按工作频率分:高频管和低频管;4)按功率大小分:大、中、小功率管;5)按工作状态分:放大管和开关管,三 BJT的内部工作原理(NPN管),三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,若在放大工作状态:发射结正偏:,+UCE,UBE,UCB,集电结反偏:,由VBB保证,由VCC、VBB保证,UCB=UCE-UBE,0,(1)因为发射结正偏,所以发射区向基区注入电子,形成了扩散电流IEN
11、。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动,形成的电流为IEP。但其数量小,可忽略。所以发射极电流I E I EN。,(2)发射区的电子注入基区后,变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉,形成IBN。所以基极电流I B I BN。大部分到达了集电区的边缘。,1BJT内部的载流子传输过程,(3)因为集电结反偏,收集扩散到集电区边缘的电子,形成电流ICN。,另外,集电结区的少子形成漂移电流ICBO。,2电流分配关系,三个电极上的电流关系:,IE=IC+IB,定义:,(1)IC与I E之间的关系:,所以:,其值的大小约为0.90.99。,(2)IC与I B之间的关系:,联立以下两式:,得:,所以:,得
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