第8章半導(dǎo)體元件1ppt課件

1、電子技術(shù)電子技術(shù) 第八章 半導(dǎo)體器件模擬電路部分模擬電路部分第八章第八章 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件8.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識8.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管結(jié)及半導(dǎo)體二極管8.3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管8.4 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管良好的導(dǎo)電材料有：良好的導(dǎo)電材料有： 保護(hù)性導(dǎo)電材料有：保護(hù)性導(dǎo)電材料有： 潤滑性的導(dǎo)電材料有：潤滑性的導(dǎo)電材料有： 電阻性的導(dǎo)電材料有：電阻性的導(dǎo)電材料有：8.1 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識 15.1.1 概述概述Ag Au Cu Al Mo W Zn NiPb Sn 熔點低的合金熔點低的合金 C 石墨石墨 碳碳Fe Ni Al Cr 合金合金導(dǎo)體：自然界中很

2、容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣。電阻率電阻率如何衡量導(dǎo)如何衡量導(dǎo)電能力？電能力？氣體和一部分液體以及除去金屬與氣體和一部分液體以及除去金屬與碳以外的幾乎所有固體碳以外的幾乎所有固體如何衡量絕如何衡量絕緣能力？緣能力？絕緣耐壓強(qiáng)度絕緣耐壓強(qiáng)度1mm1mm厚，電壓厚，電壓的千伏值的千伏值 半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體體之間，稱為半導(dǎo)體. .Ge Si Se 砷化鎵和一些硫化物、金屬氧化物砷化鎵和一些硫化物、金屬氧化物等

3、。等。 導(dǎo)電特性導(dǎo)電特性導(dǎo)電能力明導(dǎo)電能力明顯變化顯變化受熱受熱光照光照摻入某摻入某些雜質(zhì)些雜質(zhì)一、本征半導(dǎo)體及其結(jié)構(gòu)一、本征半導(dǎo)體及其結(jié)構(gòu): 完全純凈的完全純凈的,具有晶格結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱征半具有晶格結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱征半導(dǎo)體導(dǎo)體.GeSi現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子價電子都是四個。8.1.2本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)：本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)：在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原

4、子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。電子。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：體結(jié)構(gòu)：硅的共價鍵結(jié)構(gòu)硅的共價鍵結(jié)構(gòu)由價電由價電子組成子組成的共價的共價鍵鍵SiSiSiSi+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子+4+4+4+4 空穴的遷移相當(dāng)于空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴也是載可以認(rèn)為空穴也是載流子。流子。本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體中有兩種載流子有兩種載流子自由電自由電子子空穴空穴誰多誰少？誰多誰少？溫度越高，光照越強(qiáng)溫度越高，光照越強(qiáng), 載流子的濃度越高。載流子的濃度越高。 溫度是影響半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的

5、一個重要的外溫度是影響半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的一個重要的外部因素部因素本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半本征半導(dǎo)體中導(dǎo)體中一樣多一樣多Intrinsic Semiconductor有辦法讓某種載流子多些嗎?五價五價元素元素自由電子稱多數(shù)載流子多子）自由電子稱多數(shù)載流子多子）空穴稱為少數(shù)載流子少子空穴稱為少數(shù)載流子少子)+4+4+5+4negativeN 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體磷+4+4+3+4三價元素三價元素空穴是多子，電子是少子空穴是多子，電子是少子positiveP 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體硼P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體五價元素

6、五價元素三價元素三價元素Extrinsic Semiconductor參雜濃度將大大改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能8.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在同一片半導(dǎo)體基片上，一半擴(kuò)散進(jìn)去五價在同一片半導(dǎo)體基片上，一半擴(kuò)散進(jìn)去五價元素，一半擴(kuò)散進(jìn)去三價元素情況會如何？元素，一半擴(kuò)散進(jìn)去三價元素情況會如何？ PN PN 結(jié)的形成結(jié)的形成擴(kuò)散，漂移，空間電荷層耗盡層，動態(tài)平衡，內(nèi)建電場。8.2 PN 結(jié)結(jié) 基本知識基本知識8.2.1+PNPN PN 結(jié)會有什么樣的結(jié)會有什么樣的 電學(xué)特性？電學(xué)特性？+REPN 結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置

7、內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變薄變薄PN+_ PN 結(jié)加上正向電壓結(jié)加上正向電壓 (正向偏置正向偏置) 的意思都是：的意思都是： P 區(qū)區(qū)加正、加正、N 區(qū)加負(fù)電壓。區(qū)加負(fù)電壓。內(nèi)電場被削弱，多子內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流較大的擴(kuò)散電流PN 結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置+內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變厚變厚NP_RE PN 結(jié)加上反向電壓結(jié)加上反向電壓 (反向偏置反向偏置) 的意思都是：的意思都是： P區(qū)區(qū)加負(fù)、加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。內(nèi)電場被被內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑的擴(kuò)散受抑制。少子漂制。少子漂移加強(qiáng)，但移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有少子數(shù)量有限，

8、只能形限，只能形成較小的反成較小的反向電流向電流)1e(Iiktqus mv26qkT 當(dāng)T=3000k 時(即室溫下)反向飽和電流Reverse-bias saturation currentu為PN結(jié)兩端外加的電壓i為流過PN結(jié)的電流PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性。反向特性為一常量正向特性為指數(shù)曲線，SI)e(IiTUuS1 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，反向特性下移勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時，勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出就會引起積累在勢壘區(qū)的

9、空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。的電容是勢壘電容。擴(kuò)散電容：為了形成正向電流擴(kuò)散電流），注入擴(kuò)散電容：為了形成正向電流擴(kuò)散電流），注入P P 區(qū)區(qū)的少子電子在的少子電子在P P 區(qū)有濃度差，越靠近區(qū)有濃度差，越靠近PNPN結(jié)濃度越大，結(jié)濃度越大，即在即在P P 區(qū)有電子的積累。同理，在區(qū)有電子的積累。同理，在N N區(qū)有空穴的積累。區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容散電容CDCD。8.2.2. PN結(jié)的結(jié)電容單向?qū)щ妴蜗驅(qū)щ?伏安特性曲線伏安特性曲線)結(jié)電容結(jié)電容PN結(jié)的電學(xué)特性PN 結(jié)加上管殼和引

10、線，就成為半導(dǎo)體二極管。結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線引線外殼外殼觸絲線觸絲線基片基片N)點接觸型點接觸型PN結(jié)結(jié)面接觸型面接觸型PN二極管的電路符號：二極管的電路符號： 8.3 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 8.3.1半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 diode(P) ui死區(qū)電壓死區(qū)電壓硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,0.60.7V,鍺管鍺管0.20.3V0.20.3V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR理想二極管：理想二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 正向壓降正向壓降=0 二極管的伏安特性二極管的伏安特性最大整流電流最大整流電流 IOM反向電流反向

11、電流 IRCB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略。置時，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略。PN結(jié)高頻結(jié)高頻小信號時的小信號時的等效電路：等效電路：勢壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)勢壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rd 二極管的極間電容二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容勢壘電容CBCB和擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電容CDCD。符號符號8.3.2 特殊二極管特殊二極管 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 1. 反向擊穿可逆2. 反向電流可在很大范圍內(nèi)變 化,而管子兩端的電壓

12、變化很小Zener DiodeuiIZIZmax UZ IZUZIZmin電學(xué)特性電學(xué)特性:穩(wěn)穩(wěn)壓壓誤誤差差BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)CollectorBaseEmitter發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高雜濃度較高基區(qū)：較薄基區(qū)：較薄集電區(qū)集電區(qū)8.3.2 三極管三極管TransistorBECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極NPN型型PNP集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極BCEPNP型型CollectorBaseEmitterBECIBIEICBECIBIEICBECIBIEICIC =IB=BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極討論討論

13、三機(jī)三機(jī)極管極管的電的電學(xué)特學(xué)特性性RcE常數(shù)CEUBCiiCECCMUIP晶體管的輸出特性溫度對晶體管特性的影響將增大。不變，將減小。不變，BBEBEB)(iuuiCTCEO )(ICT晶體管的三個工作區(qū)域 狀態(tài) UBE IC UCE 截止 Uon ICEO UCC 放大 Uon IB UBE 飽和 Uon IB UBE8.3.3 二極管、穩(wěn)壓管、三二極管、穩(wěn)壓管、三極管最基本的應(yīng)用極管最基本的應(yīng)用一、二極管單相整流電路二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路三、三極管 （三極管共射極放大電路與射極跟隨器）構(gòu)成晶體管開關(guān)電路構(gòu)成晶體管開關(guān)電路構(gòu)成晶體管放大電路構(gòu)成晶體管放大電路放大電路將在學(xué)完數(shù)字電路后講述t u

14、o(4) 輸出電壓平均值輸出電壓平均值Uo）：）：(1) 輸出電壓波形：輸出電壓波形：u1u2aTbDRLuoiL 02245022U.UtduUoo1(3) 二極管上承受的最高電壓：二極管上承受的最高電壓：22UURM(2) 二極管上的平均電二極管上的平均電流：流：ID = IL1、單相半波整流一、二極管的應(yīng)用一、二極管的應(yīng)用RLuiuouiuott若Ui=220V, RL=10要買一個什么樣的管子 ?diode1、單相半波整流uD iDuRiRuiIuiuRtttiD2、單相全波整流、單相全波整流若Ui=220V, RL=10要買一個什么樣的管子 ?diode單相橋式整流電路的另一種畫法單

15、相橋式整流電路的另一種畫法橋式整流電路橋式整流電路+-u2正半周正半周時電流通時電流通路路u1u2TD4D2D1D3RLuo橋式整流電路橋式整流電路-+u0RLu1u2TD4D2D1D3u2負(fù)半周負(fù)半周時電流通時電流通路路uou2u2tuot221 U.Uo 整流電路加電容濾波3、限幅、限幅Ruiuo10v5vtcuiuo4、峰值采樣、峰值采樣uotuoiZDZRiLiuiRL知：穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù)知：穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):mAIUzz310 ZminmaxI 20mA, V, k2LR負(fù)載電阻負(fù)載電阻 。 kV5018.R,ui問：當(dāng)輸入電壓發(fā)生問：當(dāng)輸入電壓發(fā)生20%波動時，負(fù)載上的電波動時，負(fù)載上的電壓壓uo會如何變？會如何變？ 6318201818.%21.6 (V) 14.4 (V)(mA)11516210501018 .21852232105010621. (mA)(mA)835882105010414. 二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路三、晶體管開關(guān)電路三、晶體管開關(guān)電