第4章 半導(dǎo)體器件.ppt

1、4.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管 4.3 三極管,第四章 半導(dǎo)體器件,模擬電路：研究輸出與輸入信號之間的大小、相位、失真等方面的關(guān)系。 基本電路元件：晶體管、場效應(yīng)管、集成運算放大器。 基本模擬電路：信號放大及運算（信號放大、功率放大）、信號處理（采樣保持、電壓比較、有源濾波）、信號發(fā)生（正 弦 波發(fā)生器、三角波發(fā)生器等）。 研究方法：建立等效模型，近似計算。,導(dǎo) 體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金 屬一般都是導(dǎo)體。,絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,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，如鍺、硅、砷化鎵和

2、一些硫化物、氧化物等。,導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,4.1 半導(dǎo)體的基本知識,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：,當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能 力明顯變化 - 熱敏特性、光敏特性。,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使 它的導(dǎo)電能力明顯改變 - 摻雜特性。,4.1.1 本征半導(dǎo)體,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。,(14-6),本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。,在硅和鍺晶體中，每個原子都處在正四面體的中心，而相鄰四個原子位于四面體的頂點，每個原子與其相鄰的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。,硅和鍺的共

3、價鍵結(jié)構(gòu),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由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。,共價鍵形成后，每個原子最外層電子是八個，構(gòu)成比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。,共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理,在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛，本征半導(dǎo)體中沒有可以自由運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留

4、下一個空位，稱為空穴。,1.載流子、自由電子和空穴,自由電子,空穴,束縛電子,自由電子、空穴成對出現(xiàn),2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理,在其它力的作用下，空穴可吸引附近的電子來填補，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可認為空穴是載流子。,本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子：自由電子和空穴。,自由電子：在晶格中運動；空穴：在共價鍵中運動,溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。,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)體中電流由兩部分組成：,1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)

5、生的電流。,4.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。,N型半導(dǎo)體（主要載流子為電子，電子半導(dǎo)體） P型半導(dǎo)體（主要載流子為空穴，空穴半導(dǎo)體）,N型半導(dǎo)體,多余電子,磷原子,硅原子,硅或鍺 +少量磷 N型半導(dǎo)體,空穴,P型半導(dǎo)體,硼原子,硅原子,空穴被認為帶一個單位的正電荷，并且可以移動,硅或鍺 +少量硼 P型半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,雜質(zhì)型半導(dǎo)體中多子和少子的移動都可形成電流，但由于數(shù)量關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子，受溫度影響較小。 一般近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。,4.2.1 PN 結(jié)的形成,在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和

6、N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。,4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管,(14-18),P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。,內(nèi)電場越強，漂移運動就越強，而漂移的結(jié)果使空間電荷區(qū)變薄。,(14-19),P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,當(dāng)擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡時，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。,(14-20),空間 電荷區(qū),N 型區(qū),P 型區(qū),電位V,V0,(14-21),1.空間電荷區(qū)中幾乎沒有載流子。,2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P 區(qū)中的空穴、N區(qū)中的自由電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運 動）。,3.P 區(qū)中的自

7、由電子和N 區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,注意:,4.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。,PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。,PN結(jié)正向偏置,內(nèi)電場減弱，使擴散加強， 擴散飄移，正向電流大,P,N,+,_,PN結(jié)反向偏置,N,P,+,_,內(nèi)電場加強，使擴散停止， 有少量飄移，反向電流很小,反向飽和電流 很小，A級,發(fā)光 穩(wěn)壓,檢波 開關(guān),4.2.3 半導(dǎo)體二極管,(1)、基本結(jié)構(gòu),PN結(jié)加上管殼和引線,結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。,結(jié)面積大、

8、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。,用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。,外加電壓大于反向擊穿電壓時，二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?硅管0.5V鍺管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。,正向特性,反向特性,硅0.60.8V鍺0.20.3V,死區(qū)電壓,反向電流 在一定電壓 范圍內(nèi)保持 常數(shù)。,(2)、伏安特性：,非線性,導(dǎo)通壓降,實際二極管：正向?qū)?- 硅 0.60.8V 鍺 0.20.3V,二極管電路分析,定性分析：判二極管的工作狀態(tài) - 導(dǎo)通、截止,(14-29),理想二極管：正向?qū)?- 管

9、壓降為零 反向截止 - 相當(dāng)于斷開,二極管電路分析,分析方法：,1. 斷開二極管,2. a) 分析其兩端電位高低， b) 或其兩端所加電壓 UD 的正負。,3. a) V陽 V陰 導(dǎo)通 V陽 0 導(dǎo)通 UD 0 截止,二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降0.7V(硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降=0,二極管的應(yīng)用舉例 例1：二極管半波整流,例2：已知：管子為鍺管，VA = 3V，VB = 0V。導(dǎo)通壓降為0.3V，試求：VY = ?,方法：先判二極管誰優(yōu)先導(dǎo)通， 導(dǎo)通后二極管起嵌位作用 兩端壓降為定值。,解：,(14-33),例3：已知：管子為鍺管，VA = 3V，VB =

10、0V。導(dǎo)通壓降為0.3V，試求：VY = ?,方法：先判二極管誰優(yōu)先導(dǎo)通， 導(dǎo)通后二極管起嵌位作用 兩端壓降為定值。,解：,例4：,-0.3V,2.7V,2.7V,2.7V,設(shè)二極管的導(dǎo)通壓降為0.3伏。,例5：,設(shè)二極管的導(dǎo)通壓降為0.3伏。,0.3V,0.3V,0.3V,3.3V,ui 8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二極管截止，可看作開路 uo = ui,已知： 二極管是理想的，試畫出 uo 波形。,8V,例6：,二極管的用途： 整流、檢波、 限幅、鉗位、開 關(guān)、元件保護、 溫度補償?shù)取?參考點,二極管陰極電位為 8 V,符號,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ

11、,伏安特性,穩(wěn)壓管正常工作時，需加反向電壓，工作于反向擊穿區(qū)。,使用時要加限流電阻,穩(wěn)壓原理： 穩(wěn)壓管反向擊穿以后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小。,曲線越陡電壓越穩(wěn),4.2.4 穩(wěn)壓二極管,(1) 穩(wěn)定電壓 UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。,(2) 電壓溫度系數(shù) U 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。,(3) 動態(tài)電阻,(4) 穩(wěn)定電流 IZ 、最大穩(wěn)定電流 IZM,(5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。,穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù):,例1：已知：Uz = 12V，IZM = 18mA，R = 1.6K。 試求：Iz =

12、 ? 限流電阻 R 的阻值是否合適？,解：,Iz = ( 20 Uz ) / R = ( 20-12 ) / 1.6x103 = 5mA 因：IZ IZM 故：限流電阻 R 的阻值合適,3.4 半導(dǎo)體三極管,3.4.1 基本結(jié)構(gòu),常見：硅管主要是平面型，鍺管都是合金型,NPN型晶體管,PNP型晶體管,發(fā)射區(qū),集電區(qū),基區(qū),集電結(jié),發(fā)射結(jié),基極,發(fā)射極,集電極,發(fā)射區(qū),集電區(qū),基區(qū),發(fā)射結(jié),集電結(jié),集電極,發(fā)射極,基極,(14-43),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：,集電區(qū)： 面積最大,發(fā)射結(jié),集電結(jié),三極管放大的外部條件： 發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏

13、,PNP 發(fā)射結(jié)正偏 VBVE 集電結(jié)反偏 VCVB,NPN 發(fā)射結(jié)正偏 VBVE 集電結(jié)反偏 VCVB,3.4.2 電流分配和放大原理,從電位的角度看,晶體管電流放大的實驗電路 ,設(shè) EC = 6 V，改變可變電阻 RB，則基極電流 IB、集電極電流 IC 和發(fā)射極電流 IE 都發(fā)生變化，測量結(jié)果如下表：,各電極電流關(guān)系及電流放大作用,(1) IE = IB + IC 符合基爾霍夫定律 (2) IC IB ， IC IE (3) IC IB,晶體管的電流放大作用：基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大的變化。,放大實質(zhì)：用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，晶體管是電流控制器件。,

14、晶體管電流測量數(shù)據(jù),結(jié)論:,NPN 型晶體管,PNP 型晶體管,晶體管起放大作用的條件：,發(fā)射結(jié)必須正向偏置，集電結(jié)必須反向偏置。,晶體管內(nèi)部運動 發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子 電子在基區(qū)擴散和復(fù)合 集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴散過來的電子,電流分配和放大原理,基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略.,進入P 區(qū)的電子除極少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形成電流IBE , 基區(qū)要薄，濃度小，使絕大多數(shù)電子擴散到集電結(jié).,發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散,形成發(fā)射極電流 IE。,EB,RB,EC,集電結(jié)反偏，由少子形成的反向電流ICBO ，受溫度影響比較大。,從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)到達集電區(qū)邊緣的電子被拉入集電區(qū)形成 ICE。,IB

15、 = IBE - ICBO IBE,直流電流放大倍數(shù)：ICE 與 IBE之比,要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,4.3.3 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)部載流子運動的外部表現(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)計性能良好的電路,重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線,輸入回路,輸出回路,一、輸入特性曲線,0,特點:非線性,工作壓降 硅管UBE0.60.7V鍺管UBE0.20.3V,死區(qū)電壓硅管0.5V鍺管0.1V,二、輸出特性曲線,IC(mA),0,稱

16、為放大區(qū)或線性區(qū),當(dāng)UCE 大于一定數(shù)值時, IC 只與 IB 有關(guān), 且 IC= IB,發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏,(14-58),0,深度飽和時 硅管UCES 0.3V 鍺管UCES 0.1V,此區(qū)域中 ： UCEUBE, 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏， IC IB ， 稱為飽和區(qū),(14-59),0,此區(qū)域中 ：IB=0, IC=ICEO UBE 死區(qū)電壓， 發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏， 稱為截止區(qū)。,(14-60),輸出特性三個區(qū)域的特點,放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 即： UCE UBE ，IC = IB , 且 IC = IB,(14-61),(2) 飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。 即：U

17、CE UBE ， IB IC,(14-62),(3) 截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。 UBE 死區(qū)電壓，IB=0 ， IC=ICEO 0,(14-63),例1: = 50， USC = 12V, RB =70k， RC =6k 當(dāng)USB = -2V，2V，5V 時，晶體管工作于哪 個區(qū)？,解：當(dāng)USB =-2V時：,IB=0 ， IC=0,T 管工作于截止區(qū),(14-64),T 管工作于放大區(qū),解：USB =2V時：,IC最大飽和電流：,(14-65),解：USB =5V時:,T 管工作于飽和區(qū)，因IC 和IB 已不是 倍的關(guān)系,IC最大飽和電流：,(14-66),已知UCE=6V時：IB=

18、40A, IC=1.5mA 求 和 。IB=60 A, IC=2.3mA,在以后的計算中，一般作近似處理：=,例題,解：,Q1,Q2,(14-67),三、主要參數(shù),前述電路中，三極管的發(fā)射極是輸入和輸出的公共點，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。,共射直流電流放大倍數(shù)：,工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：,1. 電流放大倍數(shù)和 ,(14-68),2.集-基極反向截止電流 ICBO,ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，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