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文档简介
1、(1-1), 1.1 半导体的基本知识 1.2 PN 结及半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 半导体三极管 1.5 场效应晶体管,(1-2),1.1 半导体的基本知识,1.1.1 导体、半导体和绝缘体,导体:自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体。,绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,(1-3),半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。例如:,当受外界热和光的作用时,它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些
2、杂质,会使 它的导电能力明显改变。,(1-4),1.1.2 本征半导体,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。,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。,(1-5),本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价电子。,(1-6),硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,(1-7),共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚
3、电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。,共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。,(1-8),二、本征半导体的导电机理,在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子),它的导电能力为 0,相当于绝缘体。,在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,(1-9),自由电子,空穴,束缚电子,(1-10),2.本征
4、半导体的导电机理,在其它力的作用下,空穴吸引附近的电子来填补,这样的结果相当于空穴的迁移,而空穴的迁移相当于正电荷的移动,因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子和空穴。,(1-11),温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成: 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,(1-12),1.1.3 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂
5、半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。,N 型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。,(1-13),一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。,(1-14),多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么?,1、由施主原子提供的电子,浓度与
6、施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。,(1-15),二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子,电子是少子。,(1-16),三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,(1-17),1.2 PN结及半导体二极管,2.1.1 PN 结的形成,在同一片半导体基片上,分别制造P 型半导体和N 型半导体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形
7、成了PN 结。,(1-18),P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。,内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。,(1-19),所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。,(1-20),空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,(1-21),1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子(都是多子)向对方运动(扩散运动)。,3、P 区中的电子和 N区中的空穴(都是少),数量有限,因此由它们形成的电流很小。,注意:,(1-22),2.1.2 PN结的单向导
8、电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是: P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是: P区加负、N 区加正电压。,(1-23),一、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱,多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,(1-24),二、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强,多子的扩散受抑制。少子漂移加强,但少子数量有限,只能形成较小的反向电流。,R,E,(1-25),2.1.3 半导体二极管,一、基本结构,PN 结加上管壳和引线,就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,(1-26),二、伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通
9、压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,(1-27),三、主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,(1-28),3. 反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大,说明管子的单向导电性差,因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响,温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二
10、极管的直流参数,二极管的应用是主要利用它的单向导电性,主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,(1-29),4. 微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比:,显然,rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,(1-30),5. 二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容,此电容由两部分组成:势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容:势垒区是积累空间电荷的区域,当电压变化时,就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化,这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容:为了形成正向电流(扩散电流),注入P 区的少子(电子)在P 区有浓度差,越靠近PN结浓度越
11、大,即在P 区有电子的积累。同理,在N区有空穴的积累。正向电流大,积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,(1-31),CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时,由于载流子数目很少,扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路:,势垒电容和扩散电容的综合效应,(1-32),二极管:死区电压=0 .5V,正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管:死区电压=0 ,正向压降=0,二极管的应用举例1:二极管半波整流,(1-33),二极管的应用举例2:,(1-34),1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡,电压越稳定。,-,UZ,(1-35),(4)稳
12、定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,(5)最大允许功耗,稳压二极管的参数:,(1)稳定电压 UZ,(3)动态电阻,(1-36),稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻 。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时,负载电压基本不变。,解:令输入电压达到上限时,流过稳压管的电流为Izmax 。,求:电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,(1-37),令输入电压降到下限时,流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2,可解得:,(1-38),1.3.2 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,(1-39),1.3.3 发光二极管,有正向电流流过
13、时,发出一定波长范围的光,目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光,它的电特性与一般二极管类似。,(1-40),1.4 半导体三极管,1.4.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,(1-41),基区:较薄,掺杂浓度低,集电区:面积较大,发射区:掺 杂浓度较高,(1-42),发射结,集电结,(1-43),1.4.2 电流放大原理,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合,形成电流IBE ,多数扩散到集电结。,发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形成发射极电流IE。,(1-44),EB,RB,EC,集电结反偏,有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为
14、集电结的少子,漂移进入集电结而被收集,形成ICE。,(1-45),IB=IBE-ICBOIBE,(1-46),ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流,必须使发射结正偏,集电结反偏。,(1-47),NPN型三极管,PNP型三极管,(1-48),1.4.3 特性曲线,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,实验线路,(1-49),一、输入特性,工作压降: 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压,硅管0.5V,锗管0.2V。,(1-50),二、输出特性,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区(放大区)。,当UCE大于一定的数值时,IC只与I
15、B有关,IC=IB。,(1-51),此区域中UCEUBE,集电结正偏,IBIC,UCE0.3V称为饱和区。,(1-52),此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压,称为截止区。,(1-53),输出特性三个区域的特点:,放大区:发射结正偏,集电结反偏。 即: IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区:发射结正偏,集电结正偏。 即:UCEUBE , IBIC,UCE0.3V,(3) 截止区: UBE 死区电压, IB=0 , IC=ICEO 0,(1-54),例: =50, USC =12V, RB =70k, RC =6k 当USB = -2V,2V,5V时, 晶体管的
16、静态工作点Q位 于哪个区?,当USB =-2V时:,IB=0 , IC=0,IC最大饱和电流:,Q位于截止区,(1-55),例: =50, USC =12V, RB =70k, RC =6k 当USB = -2V,2V,5V时, 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区?,IC ICmax (=2mA) , Q位于放大区。,USB =2V时:,(1-56),USB =5V时:,例: =50, USC =12V, RB =70k, RC =6k 当USB = -2V,2V,5V时, 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区?,IC Icmax(=2 mA), Q位于饱和区。(实际上,此时IC和IB 已不是的关系
17、),(1-57),三、主要参数,前面的电路中,三极管的发射极是输入输出的公共点,称为共射接法,相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数:,工作于动态的三极管,真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB,相应的集电极电流变化为IC,则交流电流放大倍数为:,1. 电流放大倍数和 ,(1-58),例:UCE=6V时:IB = 40 A, IC =1.5 mA; IB = 60 A, IC =2.3 mA。,在以后的计算中,一般作近似处理: =,(1-59),2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流,受温度的变化影响。,(1-60),B,
18、E,C,N,N,P,ICBO进入N区,形成IBE。,根据放大关系,由于IBE的存在,必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,3. 集-射极反向截止电流ICEO,ICEO受温度影响很大,当温度上升时,ICEO增加很快,所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,(1-61),4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降,当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,5.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时,三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,(1-62),6. 集电极最大允许功耗PCM,集电
19、极电流IC 流过三极管, 所发出的焦耳 热为:,PC =ICUCE,必定导致结温 上升,所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,(1-63),1.5 场效应晶体管,场效应管与双极型晶体管不同,它是多子导电,输入阻抗高,温度稳定性好。,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,(1-64),N,基底 :N型半导体,两边是P区,G(栅极),S源极,D漏极,一、结构,1.5.1 结型场效应管:,导电沟道,(1-65),N沟道结型场效应管,(1-66),P沟道结型场效应管,(1-67),二、工作原理(以P沟道为例),UDS=0V时,PN结反偏,UGS越大则
20、耗尽区越宽,导电沟道越窄。,(1-68),ID,UDS=0V时,UGS越大耗尽区越宽,沟道越窄,电阻越大。,但当UGS较小时,耗尽区宽度有限,存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,(1-69),P,G,S,D,UDS,UGS,UDS=0时,UGS达到一定值时(夹断电压VP),耗尽区碰到一起,DS间被夹断,这时,即使UDS 0V,漏极电流ID=0A。,ID,(1-70),UGS0、UGDVP时耗尽区的形状,越靠近漏端,PN结反压越大,ID,(1-71),UGSVp且UDS较大时UGDVP时耗尽区的形状,沟道中仍是电阻特性,但是是非线性电阻。,ID,(1-72),UGSVp UGD=VP时,漏端的沟道被夹断,称为予夹断。,UDS增大则被夹断区向下延伸。,ID,(1-73),UGSVp UGD=VP时,此时,电流ID由未被夹断区域中的载流子形成,基本不随UDS的增加而增加,呈恒流特性。,ID,(1-74),三、特性曲线,饱和漏极电流,夹断电压,转移特性曲线 一定UDS下的ID-UGS曲线,(1-75),ID,U DS,恒
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