《半導體器件基礎(chǔ)》PPT課件.ppt

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第5章半導體器件基礎(chǔ) 5 1半導體基礎(chǔ)知識本征半導體 雜質(zhì)半導體 PN結(jié)5 2半導體二極管二極管的結(jié)構(gòu)和符號 二極管的伏安特性 特殊二極管 二極管的主要參數(shù)5 3晶體三極管三極管的結(jié)構(gòu)和符號 三極管的電流放大原理 三極管的共射特性曲線 三極管的主要參數(shù) 5 1 1本征半導體1 導體 半導體和絕緣體 導體 自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體 金屬一般都是導體 還有酸堿性的水溶液 人體 大地等 絕緣體 有的物質(zhì)幾乎不導電 稱為絕緣體 如橡皮 陶瓷 塑料 干木材 空氣等 半導體 另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間 稱為半導體 如鍺 硅 砷化鎵和一些硫化物 氧化物等 5 1半導體基礎(chǔ)知識 可做成溫度敏感元件 如熱敏電阻 摻雜性 往純凈的半導體中摻入極微量的某些雜質(zhì) 可使其導電能力劇增 可做成各種不同用途的半導體器件 如二極管 三極管和晶閘管等 光敏性 當受到光照時 導電能力大大增強 可做成各種光敏元件 如光敏電阻 光敏二極管 光敏三極管等 熱敏性 當環(huán)境溫度升高時 導電能力顯著增強 半導體的導電機理不同于其它物質(zhì) 所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點 2 本征半導體 完全純凈的 具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體 稱為本征半導體 晶體中原子的排列方式 單晶硅中的共價健結(jié)構(gòu) 共價健 共價鍵中的兩個電子 稱為價電子 價電子 價電子在獲得一定能量 溫度升高或受光照 后 即可掙脫原子核的束縛 成為自由電子 帶負電 同時共價鍵中留下一個空位 稱為空穴 帶正電 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā) 空穴 自由電子 在絕對溫度T 0K時 所有的價電子都緊緊束縛在共價鍵中 不會成為自由電子 此時本征半導體的導電能力很弱 接近絕緣體 可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對 當外加能量越高 溫度越高 產(chǎn)生的電子空穴對越多 與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象 復合 當半導體兩端加上外電壓時 在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流 1 自由電子逆電場方向運動 電子電流 2 價電子遞補空穴 順電場方向運動 空穴電流自由電子和空穴都稱為載流子 總電流 電子電流 空穴電流 自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時 又不斷復合 在一定溫度下 載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡 半導體中載流子便維持一定的數(shù)目 本征半導體的導電機理 注意 1 本征半導體中載流子數(shù)目極少 其導電性能很差 2 溫度愈高 載流子的數(shù)目愈多 半導體的導電性能也就愈強 所以 溫度對半導體器件性能影響很大 5 1 2N型半導體和P型半導體 摻雜后自由電子數(shù)目大量增加 自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式 稱為電子半導體或N型半導體 摻入五價元素 多余電子 磷原子 在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個電子變?yōu)檎x子 在本征半導體中摻入微量的其它元素 稱為雜質(zhì) 形成雜質(zhì)半導體 在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子 空穴是少數(shù)載流子 1 N型半導體 2 P型半導體 摻雜后空穴數(shù)目大量增加 空穴導電成為這種半導體的主要導電方式 稱為空穴半導體或P型半導體 摻入三價元素 在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子 自由電子是少數(shù)載流子 雜質(zhì)離子帶負電 硼原子 接受一個電子變?yōu)樨撾x子 空穴 注意 無論N型或P型半導體都是中性的 對外不顯電性 5 1 3PN結(jié) 1 PN結(jié)的形成 多子的擴散運動 少子的漂移運動 濃度差 P型半導體 N型半導體 內(nèi)電場越強 漂移運動越強 而漂移運動使空間電荷區(qū)變薄 擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬 空間電荷區(qū)也稱PN結(jié) 擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡 空間電荷區(qū)的厚度固定不變 形成空間電荷區(qū) 2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1 PN結(jié)加正向電壓 正向偏置 PN結(jié)變窄 P接正 N接負 IF 內(nèi)電場被削弱 多子的擴散運動加強 形成較大的擴散電流 PN結(jié)加正向電壓時 PN結(jié)變窄 正向電流較大 正向電阻較小 PN結(jié)處于導通狀態(tài) R 2 PN結(jié)加反向電壓 反向偏置 P接負 N接正 R PN結(jié)變寬 內(nèi)電場被加強 少子的漂移運動加強 由于少子數(shù)量很少 形成很小的反向電流 IR P接負 N接正 溫度越高少子的數(shù)目越多 反向電流將隨溫度增加 PN結(jié)加反向電壓時 PN結(jié)變寬 反向電流較小 反向電阻較大 PN結(jié)處于截止狀態(tài) 5 2半導體二極管 5 2 1二極管的結(jié)構(gòu)和符號 PN結(jié)用外殼封裝起來 并加上電極引線 就成為半導體二極管 b 二極管的符號 5 2 2二極管的伏安特性 硅管0 5V 鍺0 1V 反向擊穿電壓U BR 導通壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿 失去單向?qū)щ娦?正向特性 反向特性 特點 非線性 單向?qū)щ娦?硅0 6 0 8V鍺0 1 0 3V 死區(qū)電壓 反向電流IS在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù) 常溫下UT 26mV 溫度對二極管伏安特性的影響 T 在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS U BR T 正向特性左移 反向特性下移 溫度每升高10C 正向壓降減小2 2 5mV 溫度每升高100C 反向電流約增大一倍 二極管電路分析舉例 定性分析 判斷二極管的工作狀態(tài) 導通截止 分析方法 將二極管斷開 分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負 若V陽 V陰或UD為正 正向偏置 二極管導通若V陽 V陰或UD為負 反向偏置 二極管截止 若二極管是理想的 正向?qū)〞r正向管壓降為零 反向截止時二極管相當于斷開 單向?qū)щ娦?電路如圖 求 UAB V陽 6VV陰 12VV陽 V陰二極管導通若忽略管壓降 二極管可看作短路 UAB 6V否則 UAB低于 6V一個管壓降 為 6 3 或 6 7V 例1 取B點作參考點 斷開二極管 分析二極管陽極和陰極的電位 兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點 斷開二極管 分析二極管陽極和陰極的電位 V1陽 6V V2陽 0V V1陰 V2陰 12VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2優(yōu)先導通 D1截止 若忽略管壓降 二極管可看作短路 UAB 0V 例2 D1承受反向電壓為 6V 流過D2的電流為 求 UAB ui 8V 二極管導通 可看作短路uo 8Vui 8V 二極管截止 可看作開路uo ui 已知 二極管是理想的 試畫出uo波形 8V 例3 參考點 二極管陰極電位為8V 作業(yè) 5 95 105 14 5 65 7 直接在書上做 復習 P型半導體和N型半導體P型半導體 摻雜3價元素 空穴為多數(shù)載流子N型半導體 摻雜5價元素 自由電子為多數(shù)載流子PN結(jié)PN結(jié)的形成 PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 二極管二極管伏安特性二極管電路的分析 5 2 3特殊二極管 1 伏安特性及電路符號 UZ IZ IZM UZ IZ 穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓 使用時要加限流電阻 穩(wěn)壓管反向擊穿后 電流變化很大 但其兩端電壓變化很小 利用此特性 穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用 1 穩(wěn)壓二極管 2 主要參數(shù) 穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管正常工作 反向擊穿 時管子兩端的電壓 穩(wěn)定電流IZ 最大允許耗散功率PZM和最大穩(wěn)定電流IZM最大耗散功率PZM是在結(jié)溫升允許的情況下的最大功率 一般為幾十毫瓦至幾百毫瓦 因PZM UZIZM由此可確定最大穩(wěn)定電流IZM 穩(wěn)定電流是保證穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓的最小工作電流 電流低于此值時穩(wěn)壓效果不好 一般為毫安數(shù)量級 P97例5 3如圖所示電路中 已知輸入電壓UI 12V 穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ 6V 穩(wěn)定電流IZ 5mA 額定功率PZM 90mW 試問輸出電壓能否等于6V UZ 發(fā)光二極管 2 發(fā)光二極管 是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導體器件 其基本結(jié)構(gòu)是一個PN結(jié) 它的電特性與一般二極管類似 正向電壓較一般二極管高 約為1 2伏 電流為幾 幾十mA 當管子正向?qū)〞r將會發(fā)光 發(fā)光二極管常用作顯示器件 如指示燈 七段顯示器 矩陣顯示器等 常見的LED發(fā)光顏色有紅 黃 綠等 還有發(fā)出不可見光的紅外發(fā)光二極管 3 光電二極管 是一種將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件 其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié) 光電二極管工作在反偏狀態(tài)下 當無光照時 與普通二極管一樣 反相電流很小 稱為暗電流 當有光照時 反向電流隨光照強度的增加而上升 稱為光電流 5 2 4二極管的主要參數(shù) 1 最大整流電流IF 二極管長期使用時 允許流過二極管的最大正向平均電流 2 最高反向工作電壓UR 是保證二極管不被擊穿而給出的反向電壓 一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半 二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?甚至過熱而燒壞 3 反向電流IR 指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流 反向電流大 說明管子的單向?qū)щ娦圆?IR受溫度影響 溫度越高反向電流越大 硅管的反向電流較小 鍺管的反向電流較大 為硅管的幾十到幾百倍 作業(yè) 5 14 5 3晶體三極管 5 3 1基本結(jié)構(gòu) 基極 發(fā)射極 集電極 NPN型 符號 NPN型三極管 PNP型三極管 基區(qū) 最薄 摻雜濃度最低 發(fā)射區(qū) 摻雜濃度最高 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 結(jié)構(gòu)特點 集電區(qū) 面積最大 5 3 2三極管的電流放大原理 三極管的三種工作狀態(tài) 1 當發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏時 處于截止狀態(tài) 2 當發(fā)射結(jié)正偏 集電極反偏時 處于放大狀態(tài) 3 當發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏時 處于飽和狀態(tài) 1 三極管放大狀態(tài)的外部條件 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 PNP發(fā)射結(jié)正偏VB VE集電結(jié)反偏VC VB 從電位的角度看 NPN發(fā)射結(jié)正偏VB VE集電結(jié)反偏VC VB 2 各電極電流關(guān)系及電流放大作用 結(jié)論 1 三個電極電流關(guān)系 IE IB IC2 IC IB IC IE3 IC IB 把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用 實質(zhì) 用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化 是CCCS器件 3 三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律 基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略 發(fā)射結(jié)正偏 發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散 形成發(fā)射極電流IE 進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合 形成電流IBE 多數(shù)擴散到集電結(jié) 基區(qū)的非平衡少子在外電場的作用下越過基區(qū)到達集電區(qū) 形成漂移電流ICE 集電結(jié)反偏 有少子形成的反向飽和電流ICBO RC IC ICE ICBO ICE IB IBE ICBO IBE ICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù) 即 集 射極穿透電流 溫度 ICEO 常用公式 若IB 0 則IC ICEO 5 3 3三極管的共射特性曲線 即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線 是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn) 反映了晶體管的性能 是分析放大電路的依據(jù) 為什么要研究特性曲線 1 直觀地分析管子的工作狀態(tài) 2 合理地選擇偏置電路的參數(shù) 設(shè)計性能良好的電路 重點討論應用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線 發(fā)射極是輸入回路 輸出回路的公共端 共發(fā)射極電路 輸入回路 輸出回路 測量晶體管特性的實驗線路 1 輸入特性 特點 非線性 2 輸出特性 IB 0 20 A 放大區(qū) 輸出特性曲線通常分三個工作區(qū) 1 放大區(qū) 在放大區(qū)有IC IB 也稱為線性區(qū) 具有恒流特性 在放大區(qū) 發(fā)射結(jié)處于正向偏置 集電結(jié)處于反向偏置 晶體管工作于放大狀態(tài) 飽和區(qū) 截止區(qū) 2 截止區(qū) IB 0以下區(qū)域為截止區(qū) 有IC 0 在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置 集電結(jié)處于反向偏置 晶體管工作于截止狀態(tài) 飽和區(qū) 截止區(qū) 3 飽和區(qū) 當UCE UBE時 發(fā)射結(jié)處于正向偏置 集電結(jié)也處于正偏 晶體管工作于飽和狀態(tài) 深度飽和時 硅管UCES 0 3V 鍺管UCES 0 1V 在飽和區(qū) 有IC IB 5 3 4三極管的主要參數(shù) 1 電流放大系數(shù) 直流電流放大系數(shù) 交流電流放大系數(shù) 當晶體管接成共發(fā)射極電路時 表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù) 晶體管的參數(shù)也是設(shè)計電路 選用晶體管的依據(jù) 注意 和 的含義不同 但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下 兩者數(shù)值接近 常用晶體管的 值在20 200之間 在以后的計算中 一般作近似處理 Q1 Q2 在Q1點 有 由Q1和Q2點 得 例 在UCE 6V時 在Q1點IB 40 A IC 1 5mA 在Q2點IB 60 A IC 2 3mA 求電流放大倍數(shù)和 2 集 基極反向截止電流ICBO ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流 受溫度的影響大 溫度 ICBO 3 集 射極反向截止電流 穿透電流 ICEO ICEO受溫度的影響大 溫度 ICEO 所以IC也相應增加 三極管的溫度特性較差 4 集電極最大允許電流ICM 5 反向擊穿電壓 集電極電流IC過大會導致三極管的 值的下降 且三極管有損壞的危險 當 值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM 當三極管的兩個結(jié)上所加電壓超過一定的值時 三極管都會被擊穿 U BR CEO 基極開路時 集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓U BR CBO 發(fā)射極開路時 集電極和基極之間的反向擊穿電壓 6 集電極最大允許耗散功耗PCM PCM是在三極管溫升允許的情況下 集電極所消耗的最大功率 超過此值 管子將被燒壞 PC PCM 硅管允許結(jié)溫約為150 C 鍺管約為70 90 C ICUCE PCM 安全工作區(qū) 由三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū) 本章小結(jié) 作業(yè) 5 115 13 P型半導體和N型半導體P型半導體 參雜3價元素 空穴為多數(shù)載流子N型半導體 參雜5價元素 自由電子為多數(shù)載流子PN結(jié)PN結(jié)的形成 PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 二極管二極管伏安特性二極管電路的分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓條件4 三極管三極管的三個工作狀態(tài) 截止狀態(tài) 放大狀態(tài) 飽和狀態(tài)電流放大作用 三極管的基極電流工作集電極電流