《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》PPT課件.ppt

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第5章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 5 1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 PN結(jié)5 2半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 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(hào) 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(dǎo)體1 導(dǎo)體 半導(dǎo)體和絕緣體 導(dǎo)體 自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)體 金屬一般都是導(dǎo)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(dǎo)電 稱(chēng)為絕緣體 如橡皮 陶瓷 塑料 干木材 空氣等 半導(dǎo)體 另有一類(lèi)物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間 稱(chēng)為半導(dǎo)體 如鍺 硅 砷化鎵和一些硫化物 氧化物等 5 1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 可做成溫度敏感元件 如熱敏電阻 摻雜性 往純凈的半導(dǎo)體中摻入極微量的某些雜質(zhì) 可使其導(dǎo)電能力劇增 可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件 如二極管 三極管和晶閘管等 光敏性 當(dāng)受到光照時(shí) 導(dǎo)電能力大大增強(qiáng) 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(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí) 導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng) 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)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(diǎn) 2 本征半導(dǎo)體 完全純凈的 具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體 稱(chēng)為本征半導(dǎo)體 晶體中原子的排列方式 單晶硅中的共價(jià)健結(jié)構(gòu) 共價(jià)健 共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子 稱(chēng)為價(jià)電子 價(jià)電子 價(jià)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(fù)電 同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位 稱(chēng)為空穴 帶正電 這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā) 空穴 自由電子 在絕對(duì)溫度T 0K時(shí) 所有的價(jià)電子都緊緊束縛在共價(jià)鍵中 不會(huì)成為自由電子 此時(shí)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱 接近絕緣體 可見(jiàn)本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì) 當(dāng)外加能量越高 溫度越高 產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多 與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象 復(fù)合 當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí) 在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 1 自由電子逆電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng) 電子電流 2 價(jià)電子遞補(bǔ)空穴 順電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng) 空穴電流自由電子和空穴都稱(chēng)為載流子 總電流 電子電流 空穴電流 自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí) 又不斷復(fù)合 在一定溫度下 載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 注意 1 本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少 其導(dǎo)電性能很差 2 溫度愈高 載流子的數(shù)目愈多 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈強(qiáng) 所以 溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大 5 1 2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體 摻雜后自由電子數(shù)目大量增加 自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式 稱(chēng)為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體 摻入五價(jià)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(gè)電子變?yōu)檎x子 在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其它元素 稱(chēng)為雜質(zhì) 形成雜質(zhì)半導(dǎo)體 在N型半導(dǎo)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(dǎo)體 2 P型半導(dǎo)體 摻雜后空穴數(shù)目大量增加 空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式 稱(chēng)為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體 摻入三價(jià)元素 在P型半導(dǎo)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(fù)電 硼原子 接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子 空穴 注意 無(wú)論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的 對(duì)外不顯電性 5 1 3PN結(jié) 1 PN結(jié)的形成 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 少子的漂移運(yùn)動(dòng) 濃度差 P型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體 內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng) 漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng) 而漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變薄 擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬 空間電荷區(qū)也稱(chēng)PN結(jié) 擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)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(fù) IF 內(nèi)電場(chǎng)被削弱 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng) 形成較大的擴(kuò)散電流 PN結(jié)加正向電壓時(shí) PN結(jié)變窄 正向電流較大 正向電阻較小 PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài) R 2 PN結(jié)加反向電壓 反向偏置 P接負(fù) N接正 R PN結(jié)變寬 內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng) 少子的漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng) 由于少子數(shù)量很少 形成很小的反向電流 IR P接負(fù) 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(shí) PN結(jié)變寬 反向電流較小 反向電阻較大 PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài) 5 2半導(dǎo)體二極管 5 2 1二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) PN結(jié)用外殼封裝起來(lái) 并加上電極引線 就成為半導(dǎo)體二極管 b 二極管的符號(hào) 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(dǎo)通壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)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(diǎn) 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(duì)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(dǎo)通截止 分析方法 將二極管斷開(kāi) 分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù) 若V陽(yáng) V陰或UD為正 正向偏置 二極管導(dǎo)通若V陽(yáng) V陰或UD為負(fù) 反向偏置 二極管截止 若二極管是理想的 正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零 反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開(kāi) 單向?qū)щ娦?電路如圖 求 UAB V陽(yáng) 6VV陰 12VV陽(yáng) V陰二極管導(dǎo)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(gè)管壓降 為 6 3 或 6 7V 例1 取B點(diǎn)作參考點(diǎn) 斷開(kāi)二極管 分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位 兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn) 斷開(kāi)二極管 分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位 V1陽(yáng) 6V V2陽(yáng) 0V V1陰 V2陰 12VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2優(yōu)先導(dǎo)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(guò)D2的電流為 求 UAB ui 8V 二極管導(dǎo)通 可看作短路uo 8Vui 8V 二極管截止 可看作開(kāi)路uo ui 已知 二極管是理想的 試畫(huà)出uo波形 8V 例3 參考點(diǎn) 二極管陰極電位為8V 作業(yè) 5 95 105 14 5 65 7 直接在書(shū)上做 復(fù)習(xí) P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體 摻雜3價(jià)元素 空穴為多數(shù)載流子N型半導(dǎo)體 摻雜5價(jià)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(hào) UZ IZ IZM UZ IZ 穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓 使用時(shí)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(shí)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(shí)穩(wěn)壓效果不好 一般為毫安數(shù)量級(jí) 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(wèn)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(dǎo)體器件 其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié) 它的電特性與一般二極管類(lèi)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(dāng)管子正向?qū)〞r(shí)將會(huì)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(jiàn)的LED發(fā)光顏色有紅 黃 綠等 還有發(fā)出不可見(jiàn)光的紅外發(fā)光二極管 3 光電二極管 是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件 其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié) 光電二極管工作在反偏狀態(tài)下 當(dāng)無(wú)光照時(shí) 與普通二極管一樣 反相電流很小 稱(chēng)為暗電流 當(dāng)有光照時(shí) 反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升 稱(chēng)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(zhǎng)期使用時(shí) 允許流過(guò)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(guò)熱而燒壞 3 反向電流IR 指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流 反向電流大 說(shuō)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(hào) 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(diǎn) 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(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏時(shí) 處于截止?fàn)顟B(tài) 2 當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏 集電極反偏時(shí) 處于放大狀態(tài) 3 當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏時(shí) 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(gè)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(chēng)為晶體管的電流放大作用 實(shí)質(zhì) 用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化 是CCCS器件 3 三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)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(kuò)散 形成發(fā)射極電流IE 進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合 形成電流IBE 多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié) 基區(qū)的非平衡少子在外電場(chǎng)的作用下越過(guò)基區(qū)到達(dá)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(chēng)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(yùn)動(dòng)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(jì)性能良好的電路 重點(diǎn)討論應(yīng)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(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路 1 輸入特性 特點(diǎn) 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(gè)工作區(qū) 1 放大區(qū) 在放大區(qū)有IC IB 也稱(chēng)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?yàn)榻刂箙^(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?fàn)顟B(tài) 飽和區(qū) 截止區(qū) 3 飽和區(qū) 當(dāng)UCE UBE時(shí) 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(shí) 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(dāng)晶體管接成共發(fā)射極電路時(shí) 表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱(chēng)為晶體管的參數(shù) 晶體管的參數(shù)也是設(shè)計(jì)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(jì)算中 一般作近似處理 Q1 Q2 在Q1點(diǎn) 有 由Q1和Q2點(diǎn) 得 例 在UCE 6V時(shí) 在Q1點(diǎn)IB 40 A IC 1 5mA 在Q2點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(yīng)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(guò)大會(huì)導(dǎo)致三極管的 值的下降 且三極管有損壞的危險(xiǎn) 當(dāng) 值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM 當(dāng)三極管的兩個(gè)結(jié)上所加電壓超過(guò)一定的值時(shí) 三極管都會(huì)被擊穿 U BR CEO 基極開(kāi)路時(shí) 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(kāi)路時(shí) 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(guò)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(gè)極限參數(shù)可畫(huà)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(dǎo)體和N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體 參雜3價(jià)元素 空穴為多數(shù)載流子N型半導(dǎo)體 參雜5價(jià)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(gè)工作狀態(tài) 截止?fàn)顟B(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