電子技術(shù)教案5

常用半導(dǎo)體器件第5章5.1PN結(jié)及其單導(dǎo)游電性5.2半導(dǎo)體二極管5.3穩(wěn)壓二極管5.6光電器件常用半導(dǎo)體器件第5章5.4半導(dǎo)體三極管5.5絕緣柵場效應(yīng)管本章學(xué)習(xí)目的了解電子和空穴兩種載流子及分散運動和漂移運動的概念。掌握PN結(jié)的單導(dǎo)游電性。掌握二極管的伏安特性、主要參數(shù)及主要運用場所。掌握穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用、主要參數(shù)及運用。了解三極管的任務(wù)原理、特性曲線、主要參數(shù)、放大作用和開關(guān)作用。會分析三極管的三種任務(wù)形狀。了解場效應(yīng)管的恒流、夾斷、變阻三種任務(wù)形狀，了解場效應(yīng)管的運用。5.1PN結(jié)及其單導(dǎo)游電性5.1.1半導(dǎo)體根底知識導(dǎo)體:自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì).例如金屬。絕緣體：電阻率很高的物質(zhì)，幾乎不導(dǎo)電;如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，例如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等半導(dǎo)體的特點當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電才干明顯變化。往純真的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電才干明顯改動。1.本征半導(dǎo)體GeSi本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理純真的半導(dǎo)體。如：硅和鍺1〕最外層四個價電子。2〕共價鍵構(gòu)造+4+4+4+4共價鍵共用電子對+4表示除去價電子后的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自在電子，因此本征半導(dǎo)體中的自在電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電才干很弱。構(gòu)成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定構(gòu)造。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)那么陳列，構(gòu)成晶體。+4+4+4+43〕在絕對0度和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子〔即載流子〕，它的導(dǎo)電才干為0，相當(dāng)于絕緣體。+4+4+4+44〕在熱或光激發(fā)下，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自在電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。+4+4+4+4空穴束縛電子自在電子在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的挪動，因此可以以為空穴是載流子。+4+4+4+45〕自在電子和空穴的運動構(gòu)成電流可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自在電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自在電子和空穴。溫度越高載流子的濃度越高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電才干越強。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電才干取決于載流子的濃度。歸納

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體使某種載流子濃度大大添加。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)。1〕N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體〔四價〕中摻入少量的五價元素磷，使自在電子濃度大大添加。多數(shù)載流子〔多子〕：電子。取決于摻雜濃度；少數(shù)載流子〔少子〕：空穴。取決于溫度。+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子磷原子2〕P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體〔四價〕中摻入少量的三價元素硼，使空穴濃度大大添加。多數(shù)載流子〔多子〕：空穴。取決于摻雜濃度；少數(shù)載流子〔少子〕：電子。取決于溫度。+4+4+3+4空穴硼原子歸納3、雜質(zhì)半導(dǎo)體中起導(dǎo)電作用的主要是多子。4、N型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子；P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。1、雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多數(shù)載流子和少數(shù)載流子〔簡稱多子、少子〕。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量取決于摻雜濃度，少數(shù)載流子的數(shù)量取決于溫度。◆◆◆◆雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體5.1.2PN結(jié)的構(gòu)成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的分散，在它們的交界面處就構(gòu)成了PN結(jié)。因濃度差

多子的分散運動由雜質(zhì)離子構(gòu)成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)構(gòu)成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子分散

P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++分散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動分散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++分散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++分散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動所以分散和漂移這一對相反的運動最終到達平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)1〕PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，減弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子分散運動的妨礙減弱，分散電流加大。分散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。2.PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向一樣，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子分散運動的妨礙加強，分散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下構(gòu)成的漂移電流大于分散電流，可忽略分散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決議的少子濃度是一定的，故少子構(gòu)成的漂移電流是恒定的，根本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子。空間電荷區(qū)中內(nèi)電場妨礙多子〔P中的空穴、N中的電子〕的分散運動。P中的電子和N中的空穴〔都是少子〕，數(shù)量有限，因此由它們構(gòu)成的漂移電流很小?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場推進少子〔P中的電子、N中的空穴〕的漂移運動。5.1.3PN結(jié)的單導(dǎo)游電性PN結(jié)加正向電壓〔正向偏置〕：P區(qū)接電源的正極、N區(qū)接電源的負(fù)極。PN結(jié)加反向電壓〔反向偏置〕：P區(qū)接電源的負(fù)極、N區(qū)接電源的正極。PN結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被減弱，多子的分散加強可以構(gòu)成較大的分散電流。I正PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的分散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能構(gòu)成較小的反向電流。I反PN結(jié)的單導(dǎo)游電性正向特性反向特性歸納◆◆P〔+〕，N〔-〕，外電場減弱內(nèi)電場，結(jié)導(dǎo)通，I大；I的大小與外加電壓有關(guān)；P〔-〕，N〔+〕，外電場加強內(nèi)電場，結(jié)不通，I反很小；I反的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度有關(guān)；5.2半導(dǎo)體二極管5.2.1根本構(gòu)造PN結(jié)+管殼和引線PN陽極陰極符號：VD半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管5.2.2伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)正向特性：EVDI反向特性：EVDI反U<死區(qū)電壓，不通；U>死區(qū)電壓，導(dǎo)通；UII反很小，與溫度有關(guān)；U擊穿電壓，擊穿導(dǎo)通；I5.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM2.最大反向任務(wù)電壓URM二極管長期運用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管正常任務(wù)時允許接受的最大反向任務(wù)電壓。手冊上給出的最高反向任務(wù)電壓URM普通是UBR〔反向擊穿電壓〕的一半。3.最大反向電流IRM指二極管加反向峰值任務(wù)電壓時的反向電流。反向電流大，闡明管子的單導(dǎo)游電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。1.理想二極管U>0，VD導(dǎo)通；UD=0，I取決于外電路；相當(dāng)于一個閉合的開關(guān)EVDIUDEIUU0，VD截止；I=0，UD〔負(fù)值〕取決于外電路；相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)EVDI反UDEI反U5.2.4運用舉例2.二極管的運用電路如圖示：知E=5V，ui=10sintVRVDEuiuO解：此類電路的分析方法：當(dāng)D的陽極電位高于陰極電位時，D導(dǎo)通，將D作為一短道路；當(dāng)D的陽極電位低于陰極電位時，D截止，將D作為一斷開的開關(guān)；將二極管看成理想二極管uituOt10V5V5V削波例1求：uO的波形RRLuiuRuotttuiuRuo設(shè)=RCtp，求uo的波形tp例2電路如圖示：知VA=3VVB=0V求：VF=？解：此類電路的分析方法：將二極管看成理想二極管。當(dāng)幾個二極管共陽極或共陰極銜接時，接受正向電壓高的二極管先導(dǎo)通。VDB通，VF=0VRVDAAVDBB+12VF箝位隔離例35.3穩(wěn)壓二極管UIUZIZIZmaxUZIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。1.構(gòu)造和符號：構(gòu)造同二極管2.伏安特性：穩(wěn)壓值同二極管VDZ穩(wěn)壓誤差+-+-3.主要參數(shù)1〕穩(wěn)定電壓UZ2〕動態(tài)電阻ZZIUZrdd=3〕穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。4〕最大允許功耗UIUZIZminIZmax4.穩(wěn)壓管與二極管的主要區(qū)別穩(wěn)壓管運用在反向擊穿區(qū)二極管運用在正向區(qū)；穩(wěn)壓管比二極管的反向特性更陡。穩(wěn)壓二極管在任務(wù)時應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以維護穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時，經(jīng)過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)理穩(wěn)壓管的任務(wù)電流，從而起到穩(wěn)壓作用。UOVDZRRL+－知圖示電路中，UZ=6V，最小穩(wěn)定電流IZmin=5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA，負(fù)載電阻RL=600Ω，求限流電阻R的取值范圍。RIRUOVDZRLILIDZ+－UI=10V解：由：得：uiO△u△iIZUZIZM例45.4半導(dǎo)體三極管5.4.1三極管的根本構(gòu)造NPN型PNP型BEC基極發(fā)射極集電極NNPPPNBEC發(fā)射極集電極基極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高BEC基極發(fā)射極集電極NNPBEC基極發(fā)射極集電極NNP發(fā)射結(jié)集電結(jié)1.放大形狀BECNNPEBRBEcRC5.4.2三極管的任務(wù)原理放大的條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏EB保證發(fā)射結(jié)正偏，EC>EB保證集電結(jié)反偏。進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，構(gòu)成電流IB，多數(shù)分散到集電結(jié)。BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)分散，構(gòu)成發(fā)射極電流IE。IEIBRCIB從基區(qū)分散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進入集電結(jié)而被搜集，構(gòu)成IC。BECNNPEBRBEcIEICIBICRCIBIC與IB之比稱為電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大系數(shù)：動態(tài)電流放大系數(shù)：通常：BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管留意！只需：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，晶體管才干任務(wù)在放大形狀。2.飽和形狀當(dāng)三極管的UCE<UBE時，BC結(jié)處于正向偏置，此時，即使再添加IB，IC也不會添加了。飽和形狀飽和的三極管相當(dāng)于一個閉合的開關(guān)3.截止形狀當(dāng)三極管的UBE<UT時，BE結(jié)處于反向偏置。截止形狀飽和的三極管相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)5.3.4三極管的特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB實驗線路：輸入特性：輸出特性：發(fā)射結(jié)電壓UBE與基極電流IB的關(guān)系；集電極電流IC與管壓降UCE的關(guān)系。死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V〔1〕輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VUBEIB任務(wù)壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V〔2〕輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)〔放大區(qū)〕。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。特性歸納輸入特性同二極管的正向特性UBEIB輸出特性一組曲線〔一個IB對應(yīng)一條曲線〕UBE>0，UCE>UBE發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏IC=IB電流放大作用UBE<0，IB0發(fā)射結(jié)反偏UBE>0，UCE<UBEIC=IB發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏無電流放大作用放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A5.4.4主要參數(shù)直流電流放大倍數(shù)：1.電流放大倍數(shù)交流電流放大倍數(shù)：兩者非常接近，通常用作：普通為20~2002.集-射極反向截止電流ICEOAICEO基極開路時的集電極電流。隨溫度變化。所以集電極電流應(yīng)為：IC=IB+ICEO而ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時，ICEO添加很快，所以IC也相應(yīng)添加。三極管的溫度特性較差。3.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。4.集電極最大允許功耗PCMPC=ICUCE必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC有限制。PCPCM5.集-射極反向擊穿電壓當(dāng)集---射極之間的電壓UCE超越一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。6.集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO平安任務(wù)區(qū)5.5絕緣柵型場效應(yīng)管場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用有放大、開關(guān)、可變電阻。特點：輸入電阻很大；便于集成分類：結(jié)型〔N溝道、P溝道〕 絕緣柵型加強型〔N溝道、P溝道〕 耗盡型〔N溝道、P溝道〕5.5.1根本構(gòu)造和任務(wù)原理P型硅襯底源極柵極漏極PNNGSDSiO2絕緣層兩個N區(qū)襯底引線1.根本構(gòu)造N溝道加強型金屬鋁導(dǎo)電溝道GSD源極柵極漏極N溝道耗盡型預(yù)埋了導(dǎo)電溝道GSDPNNGSDGSDP溝道加強型NPPGSD源極柵極漏極P溝道耗盡型GSD預(yù)埋了導(dǎo)電溝道NPPGSD2.MOS管的任務(wù)原理以N溝道加強型為例UDSUGSPNNGSDPNNGSDUDSUGSUGS=0時D-S間相當(dāng)于兩個反接的PN結(jié)ID=0對應(yīng)截止區(qū)PNNGSDUDSUGSUGS>0時UGS足夠大時〔UGS>UTH〕感應(yīng)出足夠多電子，這里以電子導(dǎo)電為主出現(xiàn)N型的導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子UTH稱為開啟電壓PNNGSDUDSUGSUGS較小時，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S銜接起來，UGS越大此電阻越小。5.5.2加強型N溝道MOS管的特性曲線0IDUGSVT跨導(dǎo)：當(dāng)漏源間電壓UDS堅持一定值時，漏極電流ID與柵源極電壓UGS的關(guān)系曲線。1.轉(zhuǎn)移特性當(dāng)柵源間電壓UGSUTH并堅持一定值時，漏極電流ID與漏源極電壓UDS的關(guān)系曲線IDUDS0UGS=3VUGS=4VUGS=5VⅠⅡⅠ區(qū)：UDS較