半导体二极管、三极管和场效应管.ppt

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1、第1章 半导体二极管、三极管和场效应管,1.2 PN结,1.3 半导体二极管,1.4 稳压管,1.5 半导体三极管,1.6 绝缘栅场效应管,第1章 目录,1.1 半导体的导电特性,一、电子技术的发展 很大程度上反映在元器件的发展上:,1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管1958年 集成电路1969年 大规模集成电路1975年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。,二、模拟信号与模拟电路,1.电子电路中信号的分类数字信号：离散性,模拟信号：连续性。大多数物理

2、量为模拟信号。,2.模拟电路 模拟电路：对模拟量进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大。放大的本质：能量的控制 有源元件：能够控制能量的元件。如晶体管、场效应管,三、“模拟电子技术基础”课程的特点,1、工程性 实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。,实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。定量分析为“估算”。,近似分析要“合理”。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。,电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。,2.实践性 常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法 故障的判断与排除方法,四、如何学习这门课程,1.掌握基本概念、基本电路和基本分析方法 基本概念：概念

3、是不变的，应用是灵活的，“万变不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。,2.学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 根据需求，最适用的电路才是最好的电路。要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。,3.注意电路中常用定理在电子电路中的应用,五、课程的目的,1.掌握基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能。2.具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。,本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基

4、础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。,建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。,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。,1.1 半导体的导电特性,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杂质，会使 它的导电能力明显改变。,

5、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,第1章 1.1,1.1.2 本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,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,+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。,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

6、.1,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1.1.3 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。,多余价电子,第1章 1.1,N 型半导体结构示意图,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,+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,第1章 1.1,P 型半导体结构示意图,第1章 1.1,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

7、导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。,1.2 PN 结,第1章 1.2,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,内电场方向,R,1.2.2 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,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,P 区,N 区,内电场方向,R,2.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

8、很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,第1章 1.2,1.2.3 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,点接触型二极管,1.3.1 二极管的结构和符号,1.3 半导体二极管,第1章 1.3,D,600,400,200,0.1,0.2,0,0.

9、4,0.8,50,100,I/mA,U/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,第1章 1.3,温度的电压当量,1.3.3 二极管的主要参数,1.最大整流电流IOM,2.反向工作峰值电压URM,3.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=2.7V,DA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。,二极管的应用范围很广,它可用与整流、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,例2：二

10、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=0,二极管半波整流,D,E3V,R,ui,uo,uR,uD,例3：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/V,uo/V,6,0,0,2,第1章 1.3,t,6,0,2,例4：双向限幅电路,t,0,D,E3V,R,D,E3V,第1章 1.3,ui,uo,uR,uD,ui/V,uo/V,1.4 稳压管,IF,UF,0,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 1.4,0,稳压管的主要参数,2.最小稳定电流 Imin,3.最

11、大稳定电流 IZmax,4.动态电阻 RZ,IZ,UZ,5.电压温度系数 VZT,6.最大允许耗散功率PM,第1章 1.4,IF,UF,Imin,IZmax,例：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200。若负载电阻变化范围为1.5 k 4 k，是否还能稳压？,UZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（

12、mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k,iL=10/1.5=6.7(mA),iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k,iL=10/4=2.5(mA),iZ=10-2.5=7.5（mA）,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,发光二极管,有正向电流流过时，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。,N型硅,N+,P型硅,1.5.1 半导体三极管的结构,（a）平面型,1.5 半导体三极管,第1章 1.5,1.NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极C,基极B,发射极E,三极管的结构 分

13、类和符号,P,第1章 1.5,T,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,C,B,E,N,集电极C,发射极E,基极B,N,P,P,N,2.PNP型三极管,第1章 1.5,T,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,1.5.2 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:UBE 0UBC VB VE,对于PNP型三极管应满足:UEB 0UCB 0即 VC VB VE,公共端,第1章 1.5,EB,RB,IB,IC,N,P,N,三极管的电流控制原理,第1章 1.5,VCC,RC,VBB

14、,RB,由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的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。,UCE 1V,1.三极管的输入特性,1.5.3 三极管的特性曲线,第1章 1.5,IB=40A,IB=60A,IB=20A,2.三极管的输出特性,第1章 1.5,IC/mA,UCE/V,0,三极管输出特性上的三个工作区,IB=0 A,20A,40 A,60 A,80 A,第1章 1.5,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,

15、当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且 IC=IB。此区域称为线性放大区。,输出特性三个区域的特点:,(1)放大区 BE结正偏，BC结反偏，IC=IB,且 IC=IB,(2)饱和区 BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE，IBIC，UCE0.3V,(3)截止区 UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0,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？,USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区,USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019 mA IC=IB=5

16、00.019=0.95 mA ICS=2 mA，Q位于放大区 IC最大饱和电流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA,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？,USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061 mA IC=IB=500.061=3.05 mA ICS=2 mA，Q位于饱和区(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）,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,2.穿透电流 ICEO,3.集电极最大允许电

17、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,第1章 1.5,60A,0,20A,1.5,2.3,在输出特性上求,设UCE=6V,IB由40A加为60A。,第1章 1.5,IC/mA,UCE/V,IB=40A,6,0,IB=0 A,20A,40 A,60 A,80 A,由三极管的极限参数确定安全工作区,第1章 1.5,IC/mA,UCE/V,ICEO,结构示意图,1.6.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管,1.6 绝缘栅场效应管,1.结构和符号,第1章 1.6,结构示意图,耗尽层,S,G,D,UDS,ID=0,D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之

18、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,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,ID=0,(2)0 UGS UGS(th),由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动,电子向上移 动,在P 型硅衬底的 上表面形成耗尽层。仍然没有漏极电流。,UGS,N+,N+,第1章 1.6,UDS,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道，当D、S加上正向电压后可产生漏极电流ID。,(3)UGS UGS(th),N+,N+,第1章 1.6,UGS,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS=5V,6V,4

19、V,3V,2V,ID/mA,UDS=10V,增强型 NMOS 管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS/V,3.特性曲线,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS/V,第1章 1.6,ID/mA,结构示意图,1.6.2 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+,SiO2,制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。,第1章 1.6,4,3,2,1,0,4,8,12,UGS=1V,2V,3V,输出特性,转移特性,耗尽型NMOS管的特性曲线,1,2,3,0V,1,0,1,2,1,2,3,UGS/V,2.特性曲线

20、,ID,UGS,UGs(off),UDS/V,UDS=10V,第1章 1.6,ID/mA,ID/mA,N型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,PMOS管结构示意图,P沟道,1.6.3 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 1.6,UGS,UDS,ID,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。,2.P沟道耗尽型绝缘栅场效应管,夹断电压UGS(off)为正值，UGS UGS(off)时导通。,第1章 1.6,在UDS=0时，栅源电压与栅

21、极电流的比值，其值很高。,1.6.4 绝缘栅场效应管的主要参数,1.开启电压UGS(th),指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。,2.夹断电压 UGS(off),指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值，PMOS管是正值。,3.直流输入电阻 RGS（DC）,4.低频跨导 gm,UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导,即,第1章 1.6,另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限参数，使用时不可超过。,跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。,第1章 1.6,