电子技术及应用第1章.ppt

1、第一章半导体器件的特性,半导体材料、由半导体构成的PN 结、二极管结构特性、三极管结构特性及 场效应管结构特性。,本章主要内容：,返 回,前 进,1 .1 半导体（Semiconductor）导电特性,根据导电性质把物质分为导体、绝 缘体、半导体三大类。,而半导体又分为本征半导体、杂质 （掺杂）半导体两种。,1 .1 .1 本征半导体,纯净的、不含杂质的半导体。常用的半导体材 料有两种：硅（Si）、锗（Ge）。,硅Si （锗Ge）的原子结构如下：,这种结构的原子利用共价键构成了本征半导体结构。,但在外界激励下，产生电子空穴对（本征激发） ，呈现导体的性质。,这种稳定的结构使得本征半导体常温下不

2、能导电，呈现绝缘体性质。,但在外界激励下，产生电子空穴对（本征激发） ，呈现导体的性质。,这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。,在外界激励下，产生电子空穴对（本征激发）。,空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。,在外界激励下，产生电子空穴对（本征激发）。,空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。,在外界激励下，产生电子空穴对（本征激发）。,空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。,半导体内部存在两种载流子（可导 电的自由电荷）：电子（负电荷）、空 穴（正电荷）。,在本征半导体中，本征激发产生了 电子空穴对，同时存在电子空穴对 的复合 。 电子浓度 = 空穴浓度 ni = pi,1

3、 .1 .2 杂质半导体,在本征半导体中掺入少量的其他特定元素（称为杂质）而形成的半导体。,根据掺入杂质的不同，杂质半导体又分为N型半导体和P型半导体。,常用的杂质材料有5价元素磷P和3价元素硼B。,N型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴，电子属于多数载流子（简称多子），空穴属于少数载流子（简称少子）。 n p N型半导体主要靠电子导电。,一 . N型半导体（电子型半导体）,掺如非金属杂质磷 P的半导体。每掺入一个磷原子就相当于向半导体内部注入一个自由电子。,P型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子，空穴属于多数载流子（简称多子），电子属于少数载流子（简称少子）。 p n P型半导体主要靠空

4、穴导电。,二 . P型半导体（空穴型半导体）,掺如非金属杂质硼 B 的半导体。每掺入一个硼原子就相当于向半导体内部注入一个空穴。,杂质半导体导电性能主要由多数载流子决定，总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等量的多数载流子。,杂质半导体的简化表示法,1 .2 PN结（ PN Junction ）,将一块P型半导体和一块N型半导体有机结合在一起，其结合部就叫PN结（该区域具有特殊性质）。,一. PN结的形成,多子扩散（在PN结合部形成内电场EI）。,内电场阻碍多子扩散、利于少子漂移。,当扩散与漂移相对平衡，形成PN结。,PN结别名：耗尽层、势垒区、电位壁垒、阻挡层、内电场、空间电荷区等。,

5、二. PN结性质单向导电性,1. 正向导通 PN结外加正向电压（正向偏置）P接 +、N接 - ，形成较大正向电流（正向电阻较小）。如3mA。,2. 反向截止 PN结外加反向电压（反向偏置）P接 -、N接 +，形成较小反向电流（反向电阻较大）。如10A。,二. PN结性质单向导电性,当电压超过某个值（约零点几伏），全部少子参与导电，形成“反向饱和电流IS”。,反偏电压最高可达几千伏。,1 .3 半导体二极管（Diode）,二极管的主要结构是PN结。,1 .3 二极管,用外壳将PN结封闭，引出2根极线，就构成了二极管 。,一二极管伏安特性,正向电流较大（正向电阻较小），反向电流较小（反向电阻较大）

6、。,门限电压（死区电压）V(Si管约为0.5V、Ge管约为0.1V)，反向击穿电压VBR（可高达几千伏）,二极管电压电流方程：,二二极管主要参数,1. 最大整流电流IF,2. 最高反向工作电压UR,3. 反向电流IR,4. 最高工作频率fM,由三块半导体构成，分为NPN型和PNP型两种。三极管含有3极、2结、3区。其中发射区高掺杂，基区较薄且低掺杂，集电区一般掺杂。,1 .4 三极管（Transistor）,1 .4 .1 三极管结构及符号,1 .4 三极管（Transistor）,1 .4 .2 三极管的三种接法（三种组态）,三极管在放大电路中有三种接法：共发射极、共基极、共集电极。,1 .

7、4 .3 三极管内部载流子传输,下面以共发射极NPN管为例分析三极管内部载流子的运动规律，从而得到三极管的放大作用。,为保证三极管具有放大作用（直流能量转换为交流能量），三极管电路中必须要有直流电源，并且直流电源的接法必须保证三极管的发射结正偏、集电结反偏 。,1 .4 .3 三极管内部载流子传输,一.发射区向基区 发射载流子(电子),1 .4 .3 三极管内部载流子传输,一.发射区向基区 发射载流子(电子),二.电子在基区的 疏运输运和复合,1 .4 .3 三极管内部载流子传输,一.发射区向基区 发射载流子(电子),二.电子在基区的 疏运输运和复合,三.集电区收集电子,1 .4 .4 三极管

8、各极电流关系,一. 各极电流关系,IE = IEN + IBN IEN,IB = IBN ICBO,IC = ICN + ICBO,IE = IC + IB,二. 电流控制作用,=ICN / IBNIC / IB,IC=IB + (1+ )ICBO =IB + ICEO IC,=ICN / IENIC / IE,IC= IE + ICBO IE,1 .3 .5 共射NPN三极管伏安特性曲线,一. 输入特性曲线,IB = f ( UBE ，UCE ),实际测试时如下进行：,IB = f ( UBE )|UCE,UCE 5V的特性曲线基本重合为一条，手册可给出该条曲线。,1 .4 .5 共射NPN

9、三极管伏安特性曲线,二. 输出特性曲线,IC = f ( IB ，UCE ),实际测试时如此进行：,IC = f ( UCE )|IB,1 .4 .5 共射NPN三极管伏安特性曲线,二. 输出特性曲线,IC = f ( IB ，UCE ),实际测试时如下进行：,IC = f ( UCE )|IB,发射结正偏、集电结反偏时，三极管工作在放大区(处于放大状态)，有放大作用：IC =IB + ICEO,两结均反偏时，三极管工作在截至区(处于截止状态) ，无放大作用。IE=IC=ICEO0,发射结正偏、集电结正偏时，三极管工作在饱和区(处于饱和状态) ，无放大作用。IE=IC（较大）,1 .4 .6

10、三极管主要参数,一. 电流放大系数,1. 共发射极电流放大系数 直流IC/IB 交流IC/IB 均用表示。,2. 共基极电流放大系数 直流IC/IE 交流IC/IE 均用表示。,二. 反向饱和电流,1.集电极基极间反向饱和电流ICBO,2.集电极发射极间穿透电流ICEO,ICEO = (1+) ICBO,=/(1) =/(1+),1 .4 .6 三极管主要参数,一. 电流放大系数,IC/IB IC/IE =/(1) =/(1+),二. 反向饱和电流,ICBO ICEO ICEO = (1+) ICBO,三. 极限参数,1. 集电极最大允许电流ICM,2. 集电极最大允许功耗PCM,3. 反向击

11、穿电压U(BR)CEO 、U(BR)CBO,三极管的安全工作区,1 .5 场效应管（Field Effect Transistor ）,场效应管是单极性管子，其输入PN结处于反偏或绝缘状态，具有很高的输入电阻（这一点与三极管相反），同时，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射性强、便于集成等优点。,场效应管是电压控制器件，既利用栅源电压控制漏极电流（iD = gmuGS）这一点与三级管（电流控制器件, 基极电流控制集电极电流,iC = iB）不同，而栅极电流iD为0（因为输入电阻很大）。,场效应管分为两大类:结型场效应管（JFETJunction Field Effect Transistor）、绝

12、缘栅型场效应管（IGFETInsulated Gate Field Effect Transistor）。,1 .5 .1 结型场效应管,一. 结构及符号,N沟道管靠（单一载流子）电子导电，P沟道管靠（单一载流子）空穴导电。场效应管的栅极G、源极S和漏极D与三级管的基极b、发射极e和集电极c相对应。,1 .5 .1 结型场效应管,二.工作原理（栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用）,以N沟道管为例。漏源之间的PN结必须反偏。,N沟道结型场效应管加上反偏的栅源电压UGS (UGS0) ，在漏源之间加上漏源电压UDS(UDS0)，便形成漏极电流ID。而且UGS可控制ID。,1 .5 .1 结型场

13、效应管,二.工作原理（栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用）,1.当VGS=0时，沟道最宽，沟道电阻最小，加上VDS可形成最大的ID；,2.当VGS0时，沟道逐渐变窄，沟道电阻逐渐变大，ID逐渐减小；,3.当VGS=VP (夹断电压)时，沟道夹断，沟道电阻为无限大，ID=0。,所以，栅源电压VGS对漏极电流ID有控制作用。,1 .5 .1 结型场效应管,三. JFET特性曲线,VGS=0时,随着VDS的增大,沟道变化情况如下:,加上VGS，沟道会进一步变窄。,1 .5 .1 结型场效应管,三. JFET特性曲线,1.转移特性曲线,ID =f( UGS )|UDS,1 .5 .1 结型场效应管

14、,三. JFET特性曲线,2.漏极特性曲线,变化VGS,得到一族特性曲线。分为可变电阻区、恒流区、击穿区三部分。 JFET管处于恒流状态时，有 ID=gmVGS,ID =f( UDS )|UGS,1 .5 .1 结型场效应管,四. JFET管工作过程小结,N沟道JFET 栅源电压VGS为负值，漏源电压VDS为正值（P沟道JFET与之相反）。在栅源电压VGS控制下，漏极电流ID随栅源电压而发生变化。并且，VGS=0时，ID最大；VGS= VP 时，ID=0。二者之间关系为： ID=gmVGS （栅源间必须反偏）,1 .5 .1 结型场效应管,三. JFET特性曲线,3.转移输出特性关系,由输出特

15、性曲线可得到转移特性曲线,1 .5 .1 结型场效应管,四. JFET管工作过程小结,N沟道JFET 栅源电压VGS为负值，漏源电压VDS为正值（P沟道JFET与之相反）。在栅源电压VGS控制下，漏极电流ID随栅源电压而发生变化。并且，VGS=0时，ID最大；VGS= VP 时，ID=0。二者之间关系为： ID=gmVGS （栅源间必须反偏）,1 .5 .2 绝缘栅型场效应管,这种场效应管的栅极处于绝缘状态，输入电阻更高。广泛运用的是金属氧化物半导体场效应管MOSFET（MetalOxideSemicondoctor type Field Effect Transistor），简计为MOS管。

16、分为增强型MOS管和耗尽型MOS管两类 ，每类又有N沟道和P沟道两种管子。,1 .5 .2 绝缘栅型场效应管,一. 结构及符号,二. 增强型N沟道MOS管工作过程,1. UGS=0，无导电 沟道，不能导电,2. UGS逐渐增大，形成耗尽层,3. UGS UT ，形成反型层（N沟道）,4. 加上UDS，导电沟道不均匀,5. UGS - UDS = UT ，沟道预夹断,6. UDS继续增大,沟道夹断, 使ID基本不变,三.增强型N沟道MOS管特性曲线,转移特性近似表示为ID =IDO(UGS/UT 1)2,（其中IDO 为UGS = 2UT 时的ID 值）,四. 耗尽型N沟道MOS管工作过程,不加栅源电压时，在MOS管体内已存在导电沟道。而所加栅源电压可以控制导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流。且当UGS0时，导电沟道更宽，电流UD变大；UGS0时，导电沟道保持原有宽度，电流ID适中；当VGS0时，