电路与电子学学习课件半导体二极管三极管和场效应管学习课件教学课件

第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管 4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管 4.4 4.4 场效应管场效应管 4.1 4.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。 把纯净的没有结 构缺陷的半导体单晶 称为本征半导体。 它是共价键结构。 本征半导体的共价键结构 硅原子 价电子 4.1.1 4.1.1 本征半导体本征半导体 +4+4+4 +4 +4+4 +4+4+4 4.1 4.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4+4 自由电子 空 穴本征激发 复合 在常温下自由电子和空穴的形成 成对出现 成对消失 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4+4 外电场方向外电场方向 空穴导电的 实质是共价 键中的束缚 电子依次填 补空穴形成 电流。故半 导体中有电 子和空穴两 种载流子。 空穴移动方向 电子移动方向 在外电场作用下 ， 电子和空穴均能 参与导电。 价电子填补空穴 +4 +4 +4+4 +4 +4+4+4 4.1.2 4.1.2 P P半导体和半导体和N N型半导体型半导体 1 . N 型半导体 在硅或锗的晶体 中 掺入少量的 五价元 素,如磷, 则形成N型半导 体。 磷原子 +4+5 多余价电子 自由电子 正离子 N 型半导体结构示意图 少数载流子 多数载流子 正离子 在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。 +4 +4+4 +4 +4+4+4 空穴 2. P型半导体 在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元 素,如硼,则形成P 型 半导体。 +4 +4 硼原子 填补空位 +3 负离子 P 型半导体结构示意图 电子是少数载流子 负离子 空穴是多数载流子 在P型半导中, 空穴是多数载流子,电子是少数载流子。 P 区N 区 4.1.3 PN 4.1.3 PN 结的形成结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成 P型半导体区域 和 N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。 N区的电子向P区扩散并与空穴复合 P区的空穴向N区扩散并与电子复合 空间电荷区 内电场方向 多子扩散 少子漂移内电场方向 空间电荷区 P 区N 区 在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 内电场方向 E 外电场方向 R 4.1.4 PN 4.1.4 PN 结的单向导电性结的单向导电性 P 区N 区 外电场驱使P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷 N区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷 1. 外加正向电压 内电场方向 E 外电场方向 R I P 区N 区 空间电荷区变窄 扩散运动增强，形 成较大的正向电流 外加正向电压 P 区N 区 内电场方向 E R 空间电荷区变宽 外电场方向 IR 2. 外加反向电压 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 少数载流子越过PN结 形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行 1、PN结加正向电压：PN结所处的状态称为正向导 通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。 相当于开关闭合 S PN结的单向导电性： 2、PN结加反向电压：PN结所处的状态称为反向截 止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。 相当于开关打开 3、伏安特性： 令 则 (1)雪崩击穿 材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中 的电场随着增强，这样通过空间电荷区的电子和空穴就会在电场作用下 获得能量增大，在晶体中运行的中子和空穴将不断的与中性原子发生碰 撞,通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电 子-空穴对，新产生的载流子在电场作用下再去碰撞其他中性原子，又产 生的自由电子空穴对，如此连锁反应使得阻挡层中的载流子的数量急剧 增加，因而流过PN结的反向电流就急剧增大。 (2)齐纳击穿(隧道击穿) 当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变很薄，在这种阻挡层中， 载流子与中性原子相碰撞的机会极小，因而不容易发生碰撞。显然， 强电场直接将Si-Si共价键电子拉开成为自由电子产出大量的载流子， 使PN结的反向电流剧增，呈现反向击穿现象。 齐纳击穿一般发生在低反压、高掺杂的情况下。 PN结的击穿特性 4.1.5 PN4.1.5 PN结电容结电容 PN结电容 势垒电容 扩散电容 1. 势垒电容 PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形 成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电 容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度 和外加电压的大小有关。 载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压 变化所形成的电容称为扩散电容，用 Cd 与来示。 PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可 以忽略不计。 2. 扩散电容 正极引线 触丝 N型锗片 支架 外壳 负极引线 点接触型二极管 4.2.1 4.2.1 二极管的结构和符号二极管的结构和符号 二极管的符号 正极 负极 4.24.2 半导体二极管半导体二极管 正极引线 二氧化硅保护层 P型区 负极引线 面接触型二极管 N型硅 PN结 PN结 600 400 200 0.1 0.2 00.4 0.8 50100 I / mA U / V 正向特性 反向击 穿特性 硅管的伏安特性 4.2.2 4.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 反向特性 死区电压 I / mA U / V 0.40.8 40 80 2 4 6 0.1 0.2 锗管的伏安特性 正向特性 反向特性 0 死区电压 + U I U=f（I） 600 400 200 0.1 0.2 00.4 0.8 50100 I / mA U / V 正向特性 反向击 穿特性 硅管的伏安特性 反向特性 死区电压 正向特性：二极管加正向电压 正极 负极 + 反向特性：二极管加反向电压 正极 负极 + 对于理想二极管 锗 管 正向压降0.2-0.3V 硅 管 正向压降0.5-0.7V 4.2.3 4.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 1. 1. 最大整流电流最大整流电流I IOM OM 2. 2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压U URM RM 3. 3. 反向峰值电流反向峰值电流I IRM RM 例1：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管， 求输出端Y的电位并说明二极管的作用。 解： DA优先导通，则 VY=30.2=2.8V DA导通后, DB因反偏而截止, 起隔离作用, DA起钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2.8V 。 DA 12V Y A B DB R 二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅 、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 + 0.2V 阳极与阴极电位差大于 或等于管子的正向压降 且电位差大者 优先导通 D E 3V R ui uo uR uD 例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形 。 t t ui / V uo /V 6 3 3 0 0 2 2 6 uR？ t 6 3 0 2 例3：双向限幅电路 t 0 3 3 D1 E 3V R D2 E 3Vui uo uR uD ui / V uo /V 3 4.2.44.2.4 稳压管稳压管 IF UF 0 正向特性 反向击穿区 UZ Imin IZmax DZ 正极正极 负极 符号符号 伏安特性 稳压管是一种特殊的 面接触型半导体二极管。 工作在反向击穿区 0 稳压管的主要参数 1. 稳定电压UZ 2. 最小稳定电流 Imin 3. 最大稳定电流 IZmax 4. 动态电阻 RZ IZ UZ RZ = IZ UZ 5. 电压温度系数 VZT 6. 最大允许耗散功率PM IF UF Imin IZmax UZ 工作在反向击穿区： 电流变化大，电压几乎不变 稳压管等效电路 与书上图4-19 的联系？ 例题：已知ui = 10 sin t V, UZ= 5.5V（稳压值）， 正向压降为0 .7V，试画出 uo波形 。 DZ UZ R ui uo uR t t ui / V uo /V 10 5 .5 5 .5 0 0 2 2 0 .7 0 .7 解： I U 0 UZ Imin IZmax 基本稳压电路 N型硅 二氧化硅保护膜 B E C N+ P型硅 4.3.1 4.3.1 半导体三极管的结构半导体三极管的结构 （a） 平面型 N型锗 E C B 铟球 铟球 P P+ （b）合金型 4.34.3 双极型晶体管双极型晶体管 晶体三极管(常称晶体管)是在一块半导体(锗或硅)上通过掺入不同杂质的方法制成两个 紧挨着的PN结,并引出3个电极而构成的,如图所示。 1. NPN 1. NPN 型三极管型三极管 集电区 集电结 基区 发射结 发射区 N N 集电极C 基极B 发射极E 三极管的结构 分类和符号 P E C B 符号 晶体管有3个区:发射区发射载流子的区域; 基区传输载流子的区域;集电区收集载流子的区域。 集电区 集电结 基区 发射结 发射区 C B E N 集电极C 发射极E 基极B NP P N 2. 2. PNPPNP型三极管型三极管 结构特点： （1）发射区掺杂浓度远大于集电区掺杂浓度，集 电区掺杂浓度大于基区掺杂浓度。 （2）基区必须很薄。这种结构上的特点是晶体管 放大作用的基础。 EC RC IC UCE C E B UBE 共发射极接法放大电路 4.3.24.3.2 三极管的电流控制作用三极管的电流控制作用 三极管具有电流控 制作用的外部条件 : （1）发射结正向偏置 （加正向电压）； （2）集电结反向偏置 （加反向电压）。 EB RB IB NPN型三极管的三种组态 发射区向基区 扩散电子 IE IB 电子在基区 扩散与复合 集电区收集电子 电子流向电源正极形成 ICIC N P N 电源负极向发射 区补充电子形成 发射极电流IE 三极管的电流控制原理 电源正极拉走电 子，补充被复 合的空穴，形 成 IB VCC RC VBB RB C B E 载流子的传输过程 1)发射区向基区注入电子 2)注入电子在基区边扩散边复合 3)集电区收集扩散来的电子 4)集电结两边少子的漂移 由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量 远远大于复合的数量。所以： IC IB同样有: IC IB 所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。 电流关系： IE=IB+IC EC RC IC UCE C E B UBE EB RB IB IE IC=IB 直流电流放大系数直流电流放大系数 = IC IB EC RC IC UCE C E B UBE 共发射极接法放大电路 三极管具有电流控 制作用的外部条件 : （1）发射结正向偏置； （2）集电结反向偏置。 对于NPN型三极管应满足: 输出 回路 输入 回路 公 共 端 EB RB IB IE UBE 0 UBC VB VE EC RC IC UCE C E B UBE 共发射极接法放大电路 三极管具有电流控 制作用的外部条件 : （1）发射结正向偏置； （2）集电结反向偏置。 对于PNP型三极管应满足: 输出 回路 输入 回路 公 共 端 EB RB IB IE 即 VC 0 UBE VB VE 且IC= IB 对于PNP型三极管应满足: VC U U GS(thGS(th) ) N型导电沟道 N+N+ UGS 漏源电压VDS对沟道导电能力的影响 当VGSVT且固定为某值的情况下，若给漏源间加正 电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏 极电流ID，当ID从D S流过沟道时，沿途会产生压降，进 而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。 源极端电压最大，为VGS ，由此感生的沟道最深；离开源极 端，越向漏极端靠近，则栅沟间的电压线性下降，由它 们感生的沟道越来越浅；直到漏极端，栅漏 间电压最小，其值为： VGD=VGS-VDS , 由 此 感生的沟道也最浅。可见，在VDS作 用下导电沟道的深度是不均匀的，沟 道呈锥形分布。若VDS进一步增大，直 至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 时，则漏端沟道消失，出现预夹断点 。 A 当VDS为0或 较小时，VGD VT，此时VDS 基 本均匀降落在沟 道中，沟道呈斜 线分布。 当VDS增加到使 VGD=VT时，漏极处沟道 将缩减到刚刚开启的情 况，称为预夹断。源区 的自由电子在VDS电场力 的作用下，仍能沿着沟 道向漏端漂移，一旦到 达预夹断区的边界处， 就能被预夹断区内的电 场力扫至漏区，形成漏 极电流。 当VDS增加到使VGDVT时，预 夹断点向源极端延伸成小的夹 断区。由于预夹断区呈现高阻 ，而未夹断沟道部分为低阻， 因此， VDS增加的部分基本上降 落在该夹断区内，而沟道中的 电场力基本不变，漂移电流基 本不变，所以，从漏端沟道出 现预夹断点开始， ID基本不随 VDS增加而变化。 4 3 2 1 0 5 10 15 UGS =5V 6V 4V 3V 2V ID /mA UDS =10V 增强型 NMOS 管的特性曲线 0 1 2 3 饱和区 击穿区 可变电阻区 246 UGS / V 3. 特性曲线 UGs(th) 输出特性 转移特性 UDS / V ID /mA 可变电阻区：UGS不变，ID与UDS成正比， 漏源之间相当于一个可变电阻。 4 3 2 1 0 5 10 15 UGS =5V 6V 4V 3V 2V ID /mA UDS =10V 增强型 NMOS 管的特性曲线 0 1 2 3 饱和区 击穿区 可变电阻区 246 UGS / V 3. 特性曲线 UGs(th) 输出特性 转移特性 UDS / V ID /mA 饱和区：UDS大于一定值，在 UGS 一定，ID几乎不变， ID 受UGS的控制。 4 3 2 1 0 5 10 15 UGS =5V 6V 4V 3V 2V ID /mA UDS =10V 增强型 NMOS 管的特性曲线 0 1 2 3 饱和区 击穿区 可变电阻区 246 UGS / V 3. 特性曲线 UGs(th) 输出特性 转移特性 UDS / V ID /mA 击穿区：UDS过大，ID急剧增加。 4 3 2 1 0 5 10 15 UGS =5V 6V 4V 3V 2V ID /mA UDS =10V 增强型 NMOS 管的特性曲线 0 1 2 3 饱和区 击穿区 可变电阻区 246 UGS / V 3. 特性曲线 UGs(th) 输出特性 转移特性 UDS / V ID /mA 转移特性： ID=f（ UGS ）| UDS=常数 结构示意图 二、二、 N N沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型绝缘栅场效应管 P型硅衬底 源极S漏极D 栅极G 衬底引线B 耗尽层 1. 结构特点和工作原理 N+N+ 正离子 N型沟道 SiO2 D B S G 符号 制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。 N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入 了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏 源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。 因此，使 用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极 电流。当VGS0 时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS 的 减小ID 逐渐减小，直至 ID=0。对应ID=0 的 VGS 值为夹断电压 VP 。 4 3 2 1 0 4812 UGS =1V 2V 3V 输出特性 转移特性 耗尽型NMOS管的特性曲线 1 2 3 0V 1 0 12 123 UGS / V 2. 特性曲线 ID UGS UGs(off) UDS / V UDS =10V ID /mA ID /mA N型硅衬底 N + + B S G D 。 耗尽层 PMOS管结构示意图 P沟道 P P沟道绝缘栅场效应