第1章半导体二极管三极管和场效应管

1、第1章半导体二极管三极管和场效应管第一页，共61页。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第1章 1.11.1.1 本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+41.1 半导体的导电特性第二页，共61页。+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第1章 1.1第三页，共61页。+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。 空

2、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。 价电子填补空穴第1章 1.1第四页，共61页。+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2 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。 磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子第1章 1.1第五页，共61页。 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。第1章 1.1第六页，共61页。+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

3、补空位+3负离子第1章 1.1第七页，共61页。 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第1章 1.1第八页，共61页。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。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1.2 PN 结第1章 1.2第九页，共61页。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。 第1章 1.2第十页，共61页。

4、内电场方向E外电场方向R1.2.2 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第十一页，共61页。内电场方向E外电场方向RI1.2.2 PN 结的单向导电性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1. 外加正向电压第1章 1.2第十二页，共61页。P 区N 区内电场方向ER空间电荷区变宽 外电场方向IR2. 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第十三页，共6

5、1页。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SPN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第十四页，共61页。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

6、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第十五页，共61页。 正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管1.3.1 二极管的结构和符号二极管的符号正极负极1.3 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结第1章 1.3第十六页，共61页。600400200 0.1 0.200.40.850100I / mAU / V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性1.3.2 二极管的伏安特性反向特性死区电压I / mAU / V0.40.8 40 802460.10.2锗管的伏安特性正向特性反向特性0第1章 1.3死区电压+ U

7、 IU=f（I）第十七页，共61页。600400200 0.1 0.200.40.850100I / mAU / 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第1章 1.3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第十八页，共61页。1.3.3 二极管的主要参数1. 最大整流电流IOM2. 反向工作峰值电压URM3. 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=2.7

8、VDA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。 DA 12VYABDBR 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第十九页，共61页。DE3VRuiuouRuD 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 / Vuo /V63300226第1章 1.3uR？第二十页，共61页。 t 6302 例3：双向限幅电路 t 033DE3VRDE3V第1章 1.3uiuouRuD ui / Vuo /V3

9、第二十一页，共61页。1.4 稳压管IFUF0正向特性反向击穿区UZIminIZmaxDZ正极负极符号伏安特性 稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。 第1章 1.4工作在反向击穿区第二十二页，共61页。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 IZmax4. 动态电阻 RZIZUZRZ = IZ UZ5. 电压温度系数 VZT6. 最大允许耗散功率PM第1章 1.4IFUFIminIZmaxUZ工作在反向击穿区：电流变化大，电压几乎不变第二十三页，共61页。第1章 1.4例题：已知ui = 10 sin t V, UZ= 5.5V（稳压值），

10、 正向压降为0 .7V，试画出 uo波形 。DZUZRuiuouR t t ui / Vuo /V105 .55 .500220 .70 .7解：IU0UZIminIZmax第二十四页，共61页。N型硅二氧化硅保护膜BECN+P型硅1.5.1 半导体三极管的结构（a） 平面型N型锗ECB铟球铟球PP+（b）合金型1. 5 半导体三极管第1章 1.5第二十五页，共61页。1. NPN 型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极E 三极管的结构 分类和符号PECB符号第1章 1.5第二十六页，共61页。集电区集电结基区发射结发射区CBEN集电极C发射极E基极BNPPN2. PNP

11、型三极管第1章 1.5第二十七页，共61页。ECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路 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 1.5EBRBIB第二十八页，共61页。发射区向基区扩散电子IEIB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 ICICNPN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第1章 1.5VCCRCVBBRBCBE第二十九页，共61页。 由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的

12、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+ICECRCIC UCECEBUBEEBRBIBIEIC=IB直流电流放大系数 = IC IB第三十页，共61页。ECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路 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:输出回路输入回路公共端第1章 1.5EBRBIBIEUBE 0UBC VB VE第三十一页，共61页。ECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电

13、路 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:输出回路输入回路公共端第1章 1.5EBRBIBIE即 VC VB 0UBE VB VE且IC= IB对于PNP型三极管应满足: VC VB VE且IC= IBRBEBECRCIC UCECEBIBUBE（一）放大状态条件特征3、三极管在三个区的工作状态IE第三十六页，共61页。（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UC

14、E 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RBEBECRCIC UCECEBIBUBEIE第三十七页，共61页。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 = IC IB 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极限参数使用时不允许超过!第1章 1.5 = IC IB第三十八页，共61页。60A0 20A1.52.3

15、在输出特性上求 , = IC IB =1.5mA40A= 37.5 =IC IB =2.31.5(mA)60 40(A)= 40设UCE=6V, IB由40A加为60A 。第1章 1.5IC / mAUCE /VIB =40A6 第三十九页，共61页。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。第四十页，共61页。0IB= 0 A20A40 A60 A80 A由三极管的极限参数确定安全工作区安全工作区过损耗区PCM曲线第1章 1.5IC / mAUCE /VICEOICMU(B

16、R)CEO第四十一页，共61页。SiO2结构示意图 N沟道增强型绝缘栅场效应管P型硅衬底源极S栅极G漏极D 1.6 绝缘栅场效应管衬底引线BN+N+DBSG符号1. 结构和符号第1章 1.6第四十二页，共61页。SiO2结构示意图P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDUDSID = 0D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第四十三页，共61页。P型硅衬底N+BSGD。耗尽层ID = 0(2) 0 UGS UGS(th)N型导电沟道N+N+第1章 1.6UGS第四十五页，共61页。4321051015

17、UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型 NMOS 管的特性曲线 0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS / V3. 特性曲线UGs(th)输出特性转移特性 UDS / V第1章 1.6ID /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。第四十六页，共61页。4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型 NMOS 管的特性曲线 0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS / V3. 特性曲线UGs(th)输出特性转移特性 UDS / V第1章 1.6ID /mA饱和区：UDS大于一定值，在 UG

18、S 一定，ID几乎不变， ID 受UGS的控制。第四十七页，共61页。4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型 NMOS 管的特性曲线 0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS / V3. 特性曲线UGs(th)输出特性转移特性 UDS / V第1章 1.6ID /mA截止区：UDS过大，ID急剧增加。第四十八页，共61页。4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型 NMOS 管的特性曲线 0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS / V3. 特性曲线UGs(th)输出特性转移特性 UDS / V第1章

19、1.6ID /mA转移特性： ID=f（ UGS ）| UDS=常数第四十九页，共61页。结构示意图 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+正离子N型沟道SiO2DBSG符号制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。第1章 1.6第五十页，共61页。432104812UGS =1V2V3V输出特性转移特性耗尽型NMOS管的特性曲线 1230V1012123 UGS / V2. 特性曲线IDUGSUGs(off) UDS / VUDS =10V第1章 1.6ID /mAID /mA第五十一页，共61页。N型硅衬底N+BSGD。耗尽层PMOS管结构示意图P沟道 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 1.6UGSUDSID第五十二页，共61页。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。 SGDB符号 ID /mAUGS / V0UGS(th) 转移特性2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应管DBSG符号 ID