半导体二极管三极管和场效应管.ppt

第1章 半导体二极管、三极管和场效应管,1.2 PN结,1.3 半导体二极管,1.4 稳压管,1.5 半导体三极管,1.6 绝缘栅场效应管,1.1 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,第1章 1.1,1.1.1 本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1.1 半导体的导电特性,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,在常温下自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,第1章 1.1,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,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。,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,第1章 1.1,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1.1.2 P半导体和N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。,多余价电子,第1章 1.1,N 型半导体结构示意图,在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。,第1章 1.1,+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,第1章 1.1,P 型半导体结构示意图,第1章 1.1,P 区,N 区,1.2.1 PN 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。,1.2 PN 结,第1章 1.2,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。,第1章 1.2,内电场方向,R,1.2.2 PN 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,第1章 1.2,内电场方向,R,1.2.2 PN 结的单向导电性,P 区,N 区,扩散运动增强，形 成较大的正向电流,1. 外加正向电压,第1章 1.2,P 区,N 区,内电场方向,R,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,第1章 1.2,1、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,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,第1章 1.2,1.2.3 PN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,第1章 1.2,点接触型二极管,1.3.1 二极管的结构和符号,1.3 半导体二极管,第1章 1.3,600,400,200, 0.1, 0.2,0,0.4,0.8,50,100,I / mA,U / V,正向特性,反向击 穿特性,硅管的伏安特性,1.3.2 二极管的伏安特性,第1章 1.3,+ U ,I,U=f（I）,第1章 1.3,正向特性：二极管加正向电压,反向特性：二极管加反向电压,对于理想二极管,1.3.3 二极管的主要参数,1. 最大整流电流IOM,2. 反向工作峰值电压URM,3. 反向峰值电流IRM,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=30.3=2.7V,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+2.7V。,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。,第1章 1.3,+ 0.3V,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,6,0,0,2,第1章 1.3,uR？, t,6,0,2,例3：双向限幅电路, t,0,D,E 3V,R,D,E 3V,第1章 1.3,ui,uo,uR,uD,ui / V,uo /V,1.4 稳压管,IF,UF,0,伏安特性,稳压管是一种特殊的 面接触型半导体二极管。,第1章 1.4,工作在反向击穿区,0,稳压管的主要参数,2. 最小稳定电流 Imin,3. 最大稳定电流 IZmax,4. 动态电阻 RZ,IZ,UZ,5. 电压温度系数 VZT,6. 最大允许耗散功率PM,第1章 1.4,IF,UF,Imin,IZmax,UZ,工作在反向击穿区： 电流变化大，电压几乎不变,第1章 1.4,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,10,0,0,2,解：,N型硅,N+,P型硅,1.5.1 半导体三极管的结构,（a） 平面型,1. 5 半导体三极管,第1章 1.5,1. NPN 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,第1章 1.5,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,N,P,P,N,2. PNP型三极管,第1章 1.5,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,1.5.2 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）。,第1章 1.5,EB,RB,IB,IC,N,P,N,三极管的电流控制原理,第1章 1.5,VCC,RC,VBB,RB,C,B,E,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。,第1章 1.5,电流关系： IE=IB+IC,IC=IB,直流电流放大系数,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,1.5.2 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；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:,公 共 端,第1章 1.5,EB,RB,IB,IE,UBE 0,UBC 0,即 VC VB VE,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,1.5.2 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；,（2）集电结反向偏置。,对于PNP型三极管应满足:,公 共 端,第1章 1.5,EB,RB,IB,IE,即 VC VB VE,UBC 0,UBE 0,UCE 1V,1. 三极管的输入特性,1.5.3 三极管的特性曲线,第1章 1.5,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,公共端,EB,RB,IB,IE,IB =40A,IB =60A,IB = 20A,2. 三极管的输出特性,第1章 1.5,IC / mA,UCE /V,0,三极管输出特性上的三个工作区,IB= 0 A,20A,40 A,60 A,80 A,第1章 1.5,IC小,共发射极接法放大电路,（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: VC VB VE 且IC= IB,对于PNP型三极管应满足: VC VB VE 且IC= IB,（一）放大状态,条 件,特 征,3、三极管在三个区的工作状态,（二） 饱和状态,集电结、发射结均反向偏置，即UBE 0,（1） IB增加时，IC基本不变， 且IC UC / RC,（2） UCE 0,晶体管C、E之间相当于短路,（三） 截止状态,即UCE UBE,（1） IB=0、 IC 0,（2） UCE EC,晶体管C、E之间相当于开路,共发射极接法放大电路,条 件,特 征,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结正向偏置。,条件,特 征,1.5.4 三极管的主要参数,1. 电流放大系数,(1) 直流电流放大系数,(2) 交流电流放大系数,2. 穿透电流 ICEO,3. 集电极最大允许电流 ICM,4. 集-射反相击穿电压 U(BR)CEO,5. 集电极最大允许耗散功率 PCM,第1章 1.5,60A,0,20A,1.5,2.3,在输出特性上求, , ,设UCE=6V, IB由40A加为60A 。,第1章 1.5,IC / mA,UCE /V,IB =40A,6,重点：,1、三极管的三种工作状态,2、电流关系： IE=IB+IC IC=IB,作业：15、 16、 19 14（选做） 注意：各点波形要对应画出， 否则按错误处理。,0,IB= 0 A,20A,40 A,60 A,80 A,由三极管的极限参数确定安全工作区,第1章 1.5,IC / mA,UCE /V,ICEO,结构示意图,1.6.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管,1.6 绝缘栅场效应管,1. 结构和符号,第1章 1.6,结构示意图,耗尽层,S,G,D,UDS,ID = 0,D与S之间是两个 PN结反向串联， 无论D与S之间加 什么极性的电压， 漏极电流均接近 于零。,2. 工作原理,(1) UGS =0,第1章 1.6,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,ID = 0,(2) 0 UGS UGS(th),由柵极指向衬底方 向的电场使空穴向 下移动,电子向上移 动,在P 型硅衬底的 上表面形成耗尽层。 仍然没有漏极电流。,UGS,N+,N+,第1章 1.6,UDS,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,栅极下P型半导 体表面形成N型导电 沟道，当D、S加上 正向电压后可产生 漏极电流ID 。,(3) UGS UGS(th),N+,N+,第1章 1.6,UGS,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,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,3. 特性曲线,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,第1章 1.6,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,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,3. 特性曲线,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,第1章 1.6,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,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,3. 特性曲线,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,第1章 1.6,ID /mA,截止区：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,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,3. 特性曲线,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,第1章 1.6,ID /mA,转移特性： ID=f（ UGS ）| UDS=常数,结构示意图,1.6.2 N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+,SiO2,制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。,第1章 1.6,4,3,2,1,0,4,8,12,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,1,0,1,2,1,2,3,UGS / V,2. 特性曲线,ID,UGS,UGs(off),UDS / V,UDS =10V,第1章 1.6,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,1.6.3 P沟道绝缘栅场效应管（PMOS）,PMOS管与NMOS管 互为对偶关系，使用 时UGS 、UDS的极性 也与NMOS管相反。,P+,P+,第1章 1.6,UGS,UDS,ID,1. P沟道增强型绝缘栅场效应管,开启电压UGS(th)为 负值，UGS UGS(th) 时导通。,2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应管,夹断电压UGS(off)为 正值， UGS UGS(off) 时导通。,第1章 1.6,在UDS =0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。,1.6.4 绝缘栅场效应管的主要参数,1. 开启电压UGS(th),指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。,2. 夹断电压 UGS(off),指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的 栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值， PMOS管是正值。,3. 直流输入电阻 RGS（DC）,4. 低频跨导 gm,UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这