半導(dǎo)體基本器件.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除天馬行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632第二章 半導(dǎo)體基本器件內(nèi)容提要【了解】半導(dǎo)體的相關(guān)知識(shí)【熟悉】二極管（即PN結(jié)）的單向?qū)щ娦约爸饕獏?shù)【了解】三極管的電流放大原理【熟悉】三極管輸出特性曲線的三個(gè)工作區(qū)及條件和特點(diǎn)、主要參數(shù)【了解】MOS管的工作原理、相應(yīng)的三個(gè)工作區(qū)以及與三極管的性能區(qū)別一 一網(wǎng)上導(dǎo)學(xué)二 二典型例題三 三本章小結(jié)四 四習(xí)題答案網(wǎng)上導(dǎo)學(xué)：*了解半導(dǎo)體基礎(chǔ)相關(guān)知識(shí)：1.半導(dǎo)體(導(dǎo)電性能介于) ；2.本征半導(dǎo)體(純凈,晶體)、共價(jià)鍵(共用電子對(duì))；熱激發(fā)：自由電子-空穴對(duì)、載流子、復(fù)合、濃度(微量,溫度影響) 與摻雜半導(dǎo)體：N型(五價(jià)磷)、P型半導(dǎo)體(三價(jià)硼)、多子、少子；3.PN結(jié)：擴(kuò)散、不能移動(dòng)的離子、空間電荷區(qū)、內(nèi)電場(chǎng)EIN、阻擋層、漂移、動(dòng)態(tài)平衡。(p38p41) 本征半導(dǎo)體 摻雜半導(dǎo)體(a) 多子擴(kuò)散 (b)空間電荷區(qū) PN結(jié) PN結(jié)形成和單向?qū)щ娦砸? 一.PN結(jié)(二極管)的單向?qū)щ娦裕簆41 (a) 正向偏置 (b) 反向偏置 單向?qū)щ娦?.PN結(jié)內(nèi)部擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡(空間電荷區(qū)的調(diào)節(jié)作用)；2.外加電壓(外電場(chǎng))打破原有的平衡(加正向偏壓，削弱了內(nèi)電場(chǎng)的作用，有利于擴(kuò)散，形成較大的正向電流，導(dǎo)通；加反向偏壓，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用，有利于漂移，形成微弱的反向電流，截止)； 3.熟悉PN結(jié)(即二極管)的伏安特性（iu）：硅和鍺的導(dǎo)通電壓UON分別為0.5V和0.1V、正向電壓降UD分別為0.60.8V和0.10.3V,擊穿電壓U(RB)、二極管符號(hào)、主要參數(shù)(p43,最大正向電流IF、反向擊穿電壓U(RB)、反向電流IR等)及應(yīng)用(數(shù)字：開關(guān)；模擬：整流、限幅)；穩(wěn)壓管：正常工作在反向擊穿狀態(tài)，為了使穩(wěn)壓管不會(huì)因過(guò)流而損壞，應(yīng)當(dāng)在電路中加限流電阻（見圖2.1.9）,主要參數(shù)UZ、IZ、IZM。二極管、三極管和MOS管 伏安特性 穩(wěn)壓管電路*了解三極管電流放大原理：(1)發(fā)射結(jié)正偏,其正向電流主要是由發(fā)射區(qū)的多子向基區(qū)擴(kuò)散所形成的電流IE(因?yàn)榘l(fā)射區(qū)重?fù)诫s而基區(qū)摻雜濃度很低 ,故基區(qū)的多子向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散可以忽略)；(2) 注入到基區(qū)的多子在基區(qū)的復(fù)合和繼續(xù)擴(kuò)散；(3) 復(fù)合所形成基極復(fù)合電流IBN(IB)很小,大部分?jǐn)U散被集電結(jié)反向偏置電場(chǎng)吸引到集電區(qū),形成較大的集電極收集電流ICN(IC)(因?yàn)榛鶇^(qū)薄、摻雜濃度低,集電結(jié)反偏)。從而實(shí)現(xiàn)了三極管電流放大作用即=IC/IB1。三極管的電流放大作用就是利用發(fā)射區(qū)注入的多子在基區(qū)的擴(kuò)散電流(IC)大大超過(guò)復(fù)合電流(IB)而實(shí)現(xiàn)的；了解三極管的兩種類型(NPN,PNP)。 兩種類型二.三極管三個(gè)工作區(qū)（截止、放大、飽和）條件和特點(diǎn)、輸出特性曲線：p48 1.截止區(qū)：當(dāng)uiUON,截止區(qū),iB0,iC0；2.放大區(qū)：當(dāng)uiUON,且UBUC,或 iBIBS,放大區(qū), iC=iB；3.飽和區(qū)：當(dāng)uiUON,且UBUC,或 iBIBS,飽和區(qū),uCE=UCES0。 (a) 電路 (b) 輸出特性曲線 輸出特性曲線 了解三極管的主要參數(shù)(p50)和應(yīng)用(2.2.1 P51)以及三極管放大電路的三種組態(tài)(P54)。了解MOS管的工作原理（NMOS管）和相應(yīng)的三個(gè)工作區(qū)（夾斷區(qū)、可變電阻區(qū)、恒流區(qū)P57）以及與三極管的差別（單、雙極型，電壓、電流控制電流源，輸入電阻高、低）。 典型例題 分析下圖所示電路在輸入電壓Ui為以下各值時(shí)，判斷晶體管的工作狀態(tài)（放大、截止或飽和狀態(tài)）。 (l)Ui= 0； (2)Ui= 3V； (3)Ui= 5V。 提示：把圖中虛線框內(nèi)的電路用戴維南定理化簡(jiǎn)后再分析。解 求圖中虛線框內(nèi)的電路用戴維南等效電路表示： UOC= Ui*40/(10+40)+USB*10/(10+40)=0.8 Ui+0.2 USB (迭加定理) R0 =4010 =40*10/(40+10) =8；(1)Ui= 0, UOC=0.8*0+0.2*(-5)=-1VUON(硅管為0.5V)一 ,三極管截止；(2)Ui= 3V, UOC=0.8*3+0.2*(-5)=1.4VUON,三極管工作在放大或飽和狀態(tài), 求ICS=(USC-UCES)/RCUSC/RC=10/1=10mA, 則 ICS/=10/50=0.2mA, 求IB=( UOC-UBE)/R0=(1.4-0.7)/8=0.0875mAICS/,故 工作在放大狀態(tài)；(3)Ui= 5V, UOC=0.8*5+0.2*(-5)=3VUON , 求IB=(3-0.7)/8=0.2875mAICS/,故 工作在飽和狀態(tài)。本章小結(jié) 一、半導(dǎo)體二極管由P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。二極管分為硅管和鍺管兩種類型。硅管的導(dǎo)通電壓約為0.5V，管子導(dǎo)通后管壓降約為0.60.8V；鍺管的導(dǎo)通電壓約為0.1V，管子導(dǎo)通后管壓降約為0.l0.3V。二極管在模擬電路中常作為整流元件或非線性元件使用；在數(shù)字電路中，常作為開關(guān)元件使用。 二、晶體三極管是一種電流控制電流源型器件，其輸出特性曲線分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。NPN型硅管，當(dāng)uBE0.5V時(shí)，管子截止，即iB=0，iC =0；當(dāng)uBE0.7V且uCEUCES=0.3V時(shí)（UCUB）或iBIBS= IBS/=(Uc- UCES)(Rc*)，管子處于飽和狀態(tài)，當(dāng)uBE0.7V且uCE0.3V時(shí)（UCUB）或iBIBS，管子處于放大狀態(tài)，且iC=iB。管子的放大區(qū)多應(yīng)用于模擬電路，截止區(qū)及飽和區(qū)多應(yīng)用于數(shù)字電路。 三、MOS場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制電流源型器件。控制量取自G、S極電壓而不是電流iG。MOS管的輸入電阻rGS值很高約為109-1012, iG0。 MOS管的輸出特性曲線分為夾斷（截止）區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)。增強(qiáng)型NMOS管的uGSUTN時(shí)，管子截止，iD0。當(dāng)uGSUTN時(shí)時(shí)，管子導(dǎo)通，若uDS值較小，則工作于可變電阻區(qū)，D、S極之間相當(dāng)于一個(gè)小值電阻rDS(ON)；若uDS值較大，則工作于恒流區(qū)，iD不隨uDS的變化而變化。管子的恒流區(qū)多用于模擬電路，而夾斷區(qū)、和可變電阻區(qū)多用于數(shù)字電路。對(duì)于二極管、三極管及場(chǎng)效應(yīng)管，都應(yīng)掌握它們的特性曲線及主要參數(shù)。本章重點(diǎn)、難點(diǎn)：重點(diǎn):PN結(jié)的單向?qū)щ娦?三極管(NPN管)的三個(gè)工作區(qū)的條件和特點(diǎn)；難點(diǎn):三極管電流放大原理、MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。習(xí)題、答案習(xí)題思考題1什么是二極管的單向?qū)щ娦裕?理想二極管指的是什么？3什么是二極管的反向恢復(fù)時(shí)間？4穩(wěn)壓二極管電路中的限流電阻有何作用？5共發(fā)射極三極管電路的放大作用是如何實(shí)現(xiàn)的？6如何判斷三極管工作狀態(tài)：截止區(qū)？放大區(qū)？還是飽和區(qū)？7三極管的開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間指的是什么？8MOS場(chǎng)效應(yīng)管的開啟電壓是什么？9如何判斷NMOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作狀態(tài)：截止區(qū)？恒流區(qū)？還是可變電阻區(qū)？10MOS場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm是如何定義的？11MOS場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻rDS是如何定義的？在可變電阻區(qū)和恒流區(qū)rDS值是否相同？填空題 l，N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是。 2PN結(jié)具有導(dǎo)電性。 3半導(dǎo)體二極管、三極管有硅管和管。 4硅管二極管的導(dǎo)通電壓UON約為，導(dǎo)通后其管壓降約為；鍺管的UON約為，導(dǎo)通后其管壓降約為。 5理想二極管導(dǎo)通時(shí)，其管壓降UD=、其等效電阻 rD=。 6三極管是一種電控制器件。 7在 NPN型硅三極管輸出特性曲線上，截止區(qū)：uBE，iB=，iC = ；在放大區(qū)：uBE=，UCUB = ；在飽和區(qū)：uBE=0.7V，uCE=UCES其值約為，iBS， UcUB。 8場(chǎng)效應(yīng)管是一種電控制器件。 9場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻rGS約為、是高值電阻，因此柵極電流入IC=。 10從增強(qiáng)型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線中，易于找出電壓的數(shù)值；在漏極特性曲線中,在夾斷區(qū)：uGS，iD=；在恒流區(qū)：uGS且uDS值比較,電流iD受控制，基本上與值天關(guān)，rDS值很；在可變電阻區(qū)，uGS且uDS值比較，導(dǎo)通電阻rDS(ON)的值約為?？鐚?dǎo)gm的定義為。 11場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)速度主要受管子的電容影響，其數(shù)值通常在皮法拉級(jí)。練習(xí)題1 1 *(2-1)在下圖P1.1（a）、(b)、（c）電路中,設(shè)二極管為理想二極管,輸入電壓uI=5sin(2X1000t)V,波形如圖（d）所示。試分別畫出各電路uO波形。 圖P1.12 2 *(2-2)一個(gè)NPN型硅三極管電路如圖P1.2（a）所示，其輸出特性曲線如圖P1.2（b）所示。試在（b）圖上標(biāo)出截止區(qū)、飽和區(qū)及放大區(qū)。 圖P1.2 3. *(2-3)在上題中，在UCE=10.6V、IB=30A工作點(diǎn)處，估算管子的電流放大系數(shù)值。 4*(2-4)若已知一個(gè)三極管的集電極最大允許功耗650mW，問(wèn)： （l）當(dāng)UCE=15V時(shí)，其最大允許集電極電流IC=？ （2）當(dāng)UCE=0.3V時(shí)，其最大允許集電極電流IC=？ 5*(2-5)在習(xí)題2中，若已知管子的導(dǎo)通電壓 UON=0.6V，管子導(dǎo)通后UBE=0.7V，UCES=0.3V, 使用習(xí)題3計(jì)算的結(jié)果。若輸入電壓出為幅值為5V，頻率為1kHz的脈沖電壓源，試分析： （l）電路在uI=UIL=OV和uI=UIH=5V時(shí)的工作狀態(tài)（截止，飽和，放大？） （2）若固定Rb值不變，求電路工作在臨界飽和區(qū)時(shí)Rc最小值。 （3）著固定Rc值不變，求電路工作在臨界飽和區(qū)時(shí)Rb最大值。 6*(2-6)對(duì)于圖P2.2所示電路和輸出特性曲線，若已知Rb=4Ok，Rc=2k，Uc=12V，=70。問(wèn)uI的高電平UIH為何值，才能使管子達(dá)到飽和狀態(tài)。7已知一個(gè)增強(qiáng)型NMOS管轉(zhuǎn)移特性和漏極特性曲線如圖P1.7所示，問(wèn)： 圖P1.7 (1)管子的開啟電壓UTN=？ (2)在恒流區(qū)，估算當(dāng)uGS從5.OV變化到5.5V時(shí)，管子的跨導(dǎo)值gm 。 (3)對(duì)于uGS=6V，uDS大約為何值時(shí)，管子由可變電阻區(qū)進(jìn)入到恒流區(qū)？ (4)在可變電阻區(qū)，取uGS=6V，兩個(gè)工作點(diǎn)上uDS,iD數(shù)值分別為（0.4lV,113A）、(1.0V,250A),試估計(jì)導(dǎo)通電阻rDS(ON) 值。答案思考題1.加正向偏壓，有利于擴(kuò)散，形成較大的正向電流，導(dǎo)通；加反向偏壓，有利于漂移，形成微弱的反向電流，截止。2.視為理想開關(guān),即正向?qū)〞r(shí)內(nèi)阻rD=0和正向電壓峰UD=0,反向截止時(shí)IR=0(開路)。3.由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間,即tre。4.使穩(wěn)壓管不會(huì)因過(guò)流而損壞。5.是利用發(fā)射區(qū)注入的多子在基區(qū)的擴(kuò)散(IC)大大超過(guò)復(fù)合(IB)而實(shí)現(xiàn)的。6.當(dāng)uiUON,截止區(qū),iB0,iC0；當(dāng)uiUON,且UBUC,或 iBIBS,放大區(qū), iC=iB；當(dāng)uiUON,且UBUC,或 iBIBS,飽和區(qū),uCE=UCES。7.ton(開啟)=td(延遲)+t(上升),toff(關(guān)閉)=ts(存儲(chǔ))+tf(下降)。8.開啟電壓V:當(dāng)增強(qiáng)型MOS管柵源電壓UGS增加到一定數(shù)值(N溝道為正值,P溝道為負(fù)值)即開啟電壓V時(shí),在柵極下面的襯底表面才開始形成導(dǎo)電溝道,產(chǎn)生漏極電流ID,并受uGS控制。 9.當(dāng)NMOS管的uGSUTN,工作在夾斷區(qū), ID =0, D、S極間相當(dāng)于“開路”；當(dāng)NMOS管的uGSUTN且uDS值較小,工作在可變電阻區(qū),此時(shí)D、S極間的等效電阻rDS較小,且隨uGS增大而變小；當(dāng)NMOS管的uGSUTN且uDS值較大,工作在恒流區(qū), ID = uGS*gm。10.MOS管的 gm=ID/UGS|UDS=常數(shù)。11.MOS管的導(dǎo)通電阻rDS=UDS/ID|UGS=常數(shù), 在恒流區(qū)rDS值很大, 在可變電阻區(qū)rDS值較小。填空題1.自由電子; 2.單向; 3.鍺; 4.0.5V, 0.6-0.8V, 0.1V, 0.1-0.3V; 5.0, 0; 6.流; 7.UON, 0, 0; , iC/iB, 0.3V, ICS/, ; 8.壓; 9.109-1012, 0; 10.UTN, UTN, 0, UTN, 大, uGS, uDS, 大, UTN, 小, 數(shù)百, ID/UGS|UDS=常數(shù); 11.結(jié) 。練習(xí)題*(2-1)1.提示：依據(jù)二極管單向?qū)щ娦约袄硐攵O管的的特點(diǎn)(導(dǎo)通時(shí)rD=0,截止時(shí)開路) (a)、(c ) (b) * (2-2) 2. 提示：根據(jù)三極管三個(gè)工作的條件和特點(diǎn)畫出.*(2-3)3. 提示：此題由輸出特性曲線可以直接求得=IC/IBIC/ IB，但與公式法求解(因?yàn)閁ce=10.6VUbe，所以該管工作在放大區(qū))IC/IB=(Ucc-Uce)/RcIB=(12-10.6)/20.03=23.3相差甚遠(yuǎn)，該命題欠妥當(dāng)。解: 從圖P1.2中可以看出，在UCE=10.6V、IB=30A工作點(diǎn)處，根據(jù)=IC/IB=6-0)/(0.06-0)=100 。*(2-4)4. 提示：理解集電極最大允許功耗Pcm的含義及公式Pc=Ic*UCE解: Pc=Ic*UCE， 當(dāng)UCE=15V時(shí)，其最大允許集電極電流IC=650/15=43.3mA； 當(dāng)UCE=0.3V時(shí)，其最大允許集電極電流IC=650/0.3=2.16A。*(2-5)5. 提示：根據(jù)三極管三個(gè)工作區(qū)的條件和特點(diǎn)求解解