电子技术-半导体器件

1、 P25: 1.3 1.4 1.5P26: 1.7 1.15 1.16本章作业本章作业现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子 (Intrinsic semiconductor)共价健共价健valence electron ) Si Si Si Si价电子价电子(covalent bond)这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。 Si Si Si Si价电子价电子valence electron空穴空穴(hole)自由电子自由电子free elet

2、ron Si Si Si Si价电子价电子空穴空穴(hole)自由电子自由电子free eletron Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴P型半导体型半导体+N型半导体型半导体(N-type semiconductor)(P-type semiconductor)多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结

3、 +形成空间电荷区形成空间电荷区(PN junction)扩散扩散(diffusion)和漂移和漂移(drift)这这一对相反的运动一对相反的运动最终达到平衡，最终达到平衡，相当于两个区之相当于两个区之间没有电荷运动，间没有电荷运动，空间电荷区的厚空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。(PN junction)PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+(forward bias)+(backward bias) 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+(b

4、ackward bias)小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管(Semiconductor diode)金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型(Semiconductor diode)阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号DCathode anode 反向击穿反向

5、击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+Volt-ampere CharacteristicMain Parameter 0 ,0DSvV I:0.7 ,:0.2DDSi vV Ge vV0.5200DDvVr0SI 4. 小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 则则DIVT 常温下（常温下（T=300K

6、）)mA()mV(26DDdIIVrT 二极管二极管的电路模型的电路模型定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，例例1：D6V12V3k BAUAB+例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+ID2V sin18itu t ttuo0ui0DuiuoRL练习练习1：画出二极管电路的输出波形（设画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。）。练习练习2：画出二极管电路的输出波形（设画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V） 。0.7V0.7V-3V练习练习3：电路如图所示，二极管的导通电压电路如图所示，

7、二极管的导通电压UD约为约为0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。当开关断开时，二极管因加正向电压而处当开关断开时，二极管因加正向电压而处于于( )( )状态，故输出电压为状态，故输出电压为V3 . 5V)7 . 06(1 DOUVU导通导通分分析析练习练习3：电路如图所示，二极管的导通电压电路如图所示，二极管的导通电压UD约为约为0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。当开关闭合时，二极管外加反向电压，当开关闭合时，二极管外加反向电压，因而（因而（ ），故输出电压为），故输出电压为V

8、122 VUO分分析析截止截止UZIZIZM UZ IZ_+UIO(Zener diodes)ZZ ZIUr 例例1： RL为负载电阻，为负载电阻，R限流电阻，当限流电阻，当UI或负载变化或负载变化时，由于稳压管的作用，输出时，由于稳压管的作用，输出UO不变。不变。例例2：例例3：已知稳压管的已知稳压管的UZ=6V, 最小电流最小电流IZmin=5mA,最大电流最大电流IZmax=25mA。（1）分别计算）分别计算UI为为10V、15V、35V时输出时输出UO的值。的值。（2）若）若UI为为35V时负载开路，则会出现什么现象？时负载开路，则会出现什么现象？1. IZIZmax , 则则DZ过流

9、过热烧毁；过流过热烧毁；3. IZmin IZ1V以后的输入特性曲线基本上重以后的输入特性曲线基本上重合。合。Input Characteristic UBE一定时一定时，随着随着UCE由由0增大增大时，在集电结收集载流子的能力时，在集电结收集载流子的能力得到加强的同时，得到加强的同时，集电结空间电集电结空间电荷区也在变宽，从而使基区的有荷区也在变宽，从而使基区的有效宽度减小，效宽度减小，结果使结果使IB减小减小, 因因此，在相同的此，在相同的UBE 作用下，随着作用下，随着UCE增加增加，IB减小减小。IB=020 A40 A60 A80 A100 A常常数数 B)(CECIUfI36IC(

10、mA )1234UCE(V)912O放大区放大区Output Characteristic active regionOcutoff region , saturation region(2) (3iCiBRBRCVCCvOvi+- 当当 0时，时，0时，时，例例1： =50，UCC =12V， RB =70k ，RC =6k 当当UI = -2V，2V，5V时时，晶体管工作于哪个区？晶体管工作于哪个区？(1) 当当UI =-2V时：时：IB=0 ， IC=ICEO 0IC最大饱和电流：最大饱和电流：晶体管可靠晶体管可靠截止区截止区 晶体管饱和时的基极电流：晶体管饱和时的基极电流：解：解：mA

11、RUI2612CCCC AII 40502CB ICUCEIBUCCUICBERCUBE+RB(2) 当当UI =2V时：时：例例1： =50，UCC =12V， RB =70k ，RC =6k 当当UI = -2V，2V，5V时时，晶体管工作于哪个区？晶体管工作于哪个区？AARUUI 19101910707 . 0263BBEIB IB (=40uA) ， 晶体管处于饱和状态。晶体管处于饱和状态。BI ICUCEIBUCCUICBERCUBE+RB0.7V4V00.7V0.3V0 0 4V0例例2:判断以下三极管的工作状态。判断以下三极管的工作状态。例例3：现已测得某电路中几只晶体管三个极的

12、直流电现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如下，各晶体管开启电压均为位如下，各晶体管开启电压均为0.5V。试判断各管。试判断各管的工作状态。的工作状态。放大放大放大放大饱和饱和截止截止Current Gain) BCII_ BCII 53704051BC.II 400400605132BC .II ICBO A+EC AICEOIB=0+ICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区ICUCEO 场效应晶体管场效应晶体管是利用电场效应来控制电是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是流的一种半导体器件，即是它的输它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号出电流决定于输入电压的大小

13、，基本上不需要信号源提供电流，所以它的源提供电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性输入电阻高，且温度稳定性好。好。按结构不同按结构不同场效应管有两种场效应管有两种: :本节仅介绍绝缘栅型场效应管本节仅介绍绝缘栅型场效应管按工作状态可分为：按工作状态可分为：漏极漏极D栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区GSD 。 EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+ 由结构图可见，由结构图可见，N+型漏区和型漏区和N+型源区之间被型源区之间被P型型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。结。 当栅源电压当栅源电压

14、UGS = 0 时时，不管漏极和源极之间所不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其加电压的极性如何，其中总有一个中总有一个PN结是反向结是反向偏置的，反向电阻很高，偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零漏极电流近似为零。SDEGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+ 当当UGS 0 时，时，P型衬底中的电子受到电场力的吸型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道型导电沟道EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+N型导电沟道型导电沟道当当UGS UGS(th）后，场效后，场效应管才形成导电沟道，应管才

15、形成导电沟道，开始导通，若漏开始导通，若漏源之间源之间加上一定的电压加上一定的电压UDS，则，则有漏极电流有漏极电流ID产生。在产生。在一定的一定的UDS下漏极电流下漏极电流ID的大小与栅源电压的大小与栅源电压UGS有有关。所以，场效应管是关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器一种电压控制电流的器件。件。 在一定的漏在一定的漏源电压源电压UDS下，使管子由不导通变下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。无导电无导电沟道沟道UDSUGS/ID/mAUDS/Vo oUGS= 1VUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4VN型衬底型衬底P

16、+P+GSD符号：符号：结构结构SiO2绝缘层绝缘层加电压才形成加电压才形成 P型导电沟道型导电沟道 增强型场效应管只有当增强型场效应管只有当时才形成导时才形成导电沟道。电沟道。GSD符号：符号：SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子予埋了予埋了N型型 导电沟道导电沟道 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS= 0时，若漏时，若漏源之间加上一定的电压源之间加上一定的电压UDS，也，也会有漏极电流会有漏极电流 ID 产生。产生。 当当UGS达到一定负值时，达到一定负值时，N型导电沟道消失，型导电沟道消失，ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的这时的UGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用UGS(