電子技術(shù)-半導(dǎo)體器件

1、 P25: 1.3 1.4 1.5P26: 1.7 1.15 1.16本章作業(yè)本章作業(yè)現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，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(jià)電子）都是四個(gè)它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。Si硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子 (Intrinsic semiconductor)共價(jià)健共價(jià)健valence electron ) Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子(covalent bond)這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。 Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子valence electron空穴空穴(hole)自由電子自由電子free elet

2、ron Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子空穴空穴(hole)自由電子自由電子free eletron Si Si Si Sip+多余多余電子電子磷原子磷原子在常溫下即可在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮幼優(yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)失去一個(gè)電子變?yōu)殡娮幼優(yōu)檎x子正離子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(N-type semiconductor)(P-type semiconductor)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差濃度差 擴(kuò)散的結(jié)果使擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱空間電荷區(qū)也稱 PN 結(jié)結(jié)

3、 +形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)(PN junction)擴(kuò)散擴(kuò)散(diffusion)和漂移和漂移(drift)這這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚空間電荷區(qū)的厚度固定不變。度固定不變。(PN junction)PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 P接正、接正、N接負(fù)接負(fù) 外電場(chǎng)外電場(chǎng)IF內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)PN+(forward bias)+(backward bias) 內(nèi)電場(chǎng)被加內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，少子數(shù)量很少，形成很小的反形成很小的反向電流。向電流。IR+(b

4、ackward bias)小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管(Semiconductor diode)金屬觸絲金屬觸絲陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼( a ) 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線PN結(jié)結(jié)金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線( b ) 面接觸型面接觸型(Semiconductor diode)陰極引線陰極引線陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線二氧化硅保護(hù)層二氧化硅保護(hù)層P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極( d ) 符號(hào)符號(hào)DCathode anode 反向擊穿反向

5、擊穿電壓電壓U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+Volt-ampere CharacteristicMain Parameter 0 ,0DSvV I:0.7 ,:0.2DDSi vV Ge vV0.5200DDvVr0SI 4. 小信號(hào)模型小信號(hào)模型 二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。DDdivr 即即根據(jù)根據(jù)得得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)點(diǎn)處的微變電導(dǎo)QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 則則DIVT 常溫下（常溫下（T=300K）)mA()mV(26DDd

6、IIVrT 二極管二極管的電路模型的電路模型定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的，例例1：D6V12V3k BAUAB+例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+ID2V sin18itu t ttuo0ui0DuiuoRL練習(xí)練習(xí)1：畫出二極管電路的輸出波形（設(shè)畫出二極管電路的輸出波形（設(shè)UD=0）。）。練習(xí)練習(xí)2：畫出二極管電路的輸出波形（設(shè)畫出二極管電路的輸出波形（設(shè)UD=0.7V） 。0.7V0.7V-3V練習(xí)練習(xí)3：電路如圖所示，二極管的導(dǎo)通電壓電路如圖所示，二極管的導(dǎo)通電壓UD約為約為

7、0.7V。試分別計(jì)算開關(guān)斷開和閉合時(shí)輸出電壓的數(shù)值。試分別計(jì)算開關(guān)斷開和閉合時(shí)輸出電壓的數(shù)值。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，二極管因加正向電壓而處當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，二極管因加正向電壓而處于于( )( )狀態(tài)，故輸出電壓為狀態(tài)，故輸出電壓為V3 . 5V)7 . 06(1 DOUVU導(dǎo)通導(dǎo)通分分析析練習(xí)練習(xí)3：電路如圖所示，二極管的導(dǎo)通電壓電路如圖所示，二極管的導(dǎo)通電壓UD約為約為0.7V。試分別計(jì)算開關(guān)斷開和閉合時(shí)輸出電壓的數(shù)值。試分別計(jì)算開關(guān)斷開和閉合時(shí)輸出電壓的數(shù)值。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，二極管外加反向電壓，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，二極管外加反向電壓，因而（因而（ ），故輸出電壓為），故輸出電壓為V122 VUO分分析析截止截

8、止UZIZIZM UZ IZ_+UIO(Zener diodes)ZZ ZIUr 例例1： RL為負(fù)載電阻，為負(fù)載電阻，R限流電阻，當(dāng)限流電阻，當(dāng)UI或負(fù)載變化或負(fù)載變化時(shí)，由于穩(wěn)壓管的作用，輸出時(shí)，由于穩(wěn)壓管的作用，輸出UO不變。不變。例例2：例例3：已知穩(wěn)壓管的已知穩(wěn)壓管的UZ=6V, 最小電流最小電流IZmin=5mA,最大電流最大電流IZmax=25mA。（1）分別計(jì)算）分別計(jì)算UI為為10V、15V、35V時(shí)輸出時(shí)輸出UO的值。的值。（2）若）若UI為為35V時(shí)負(fù)載開路，則會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？時(shí)負(fù)載開路，則會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？1. IZIZmax , 則則DZ過(guò)流過(guò)熱燒毀；過(guò)流過(guò)熱燒毀；3.

9、 IZmin IZ1V以后的輸入特性曲線基本上重以后的輸入特性曲線基本上重合。合。Input Characteristic UBE一定時(shí)一定時(shí)，隨著隨著UCE由由0增大增大時(shí)，在集電結(jié)收集載流子的能力時(shí)，在集電結(jié)收集載流子的能力得到加強(qiáng)的同時(shí)，得到加強(qiáng)的同時(shí)，集電結(jié)空間電集電結(jié)空間電荷區(qū)也在變寬，從而使基區(qū)的有荷區(qū)也在變寬，從而使基區(qū)的有效寬度減小，效寬度減小，結(jié)果使結(jié)果使IB減小減小, 因因此，在相同的此，在相同的UBE 作用下，隨著作用下，隨著UCE增加增加，IB減小減小。IB=020 A40 A60 A80 A100 A常常數(shù)數(shù) B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)

10、912O放大區(qū)放大區(qū)Output Characteristic active regionOcutoff region , saturation region(2) (3iCiBRBRCVCCvOvi+- 當(dāng)當(dāng) 0時(shí)，時(shí)，0時(shí)，時(shí)，例例1： =50，UCC =12V， RB =70k ，RC =6k 當(dāng)當(dāng)UI = -2V，2V，5V時(shí)時(shí)，晶體管工作于哪個(gè)區(qū)？晶體管工作于哪個(gè)區(qū)？(1) 當(dāng)當(dāng)UI =-2V時(shí)：時(shí)：IB=0 ， IC=ICEO 0IC最大飽和電流：最大飽和電流：晶體管可靠晶體管可靠截止區(qū)截止區(qū) 晶體管飽和時(shí)的基極電流：晶體管飽和時(shí)的基極電流：解：解：mARUI2612CCCC AI

11、I 40502CB ICUCEIBUCCUICBERCUBE+RB(2) 當(dāng)當(dāng)UI =2V時(shí)：時(shí)：例例1： =50，UCC =12V， RB =70k ，RC =6k 當(dāng)當(dāng)UI = -2V，2V，5V時(shí)時(shí)，晶體管工作于哪個(gè)區(qū)？晶體管工作于哪個(gè)區(qū)？AARUUI 19101910707 . 0263BBEIB IB (=40uA) ， 晶體管處于飽和狀態(tài)。晶體管處于飽和狀態(tài)。BI ICUCEIBUCCUICBERCUBE+RB0.7V4V00.7V0.3V0 0 4V0例例2:判斷以下三極管的工作狀態(tài)。判斷以下三極管的工作狀態(tài)。例例3：現(xiàn)已測(cè)得某電路中幾只晶體管三個(gè)極的直流電現(xiàn)已測(cè)得某電路中幾只晶

12、體管三個(gè)極的直流電位如下，各晶體管開啟電壓均為位如下，各晶體管開啟電壓均為0.5V。試判斷各管。試判斷各管的工作狀態(tài)。的工作狀態(tài)。放大放大放大放大飽和飽和截止截止Current Gain) BCII_ BCII 53704051BC.II 400400605132BC .II ICBO A+EC AICEOIB=0+ICMU(BR)CEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)ICUCEO 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的一種半導(dǎo)體器件，即是流的一種半導(dǎo)體器件，即是它的輸它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號(hào)出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號(hào)源提供電流

13、，所以它的源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。好。按結(jié)構(gòu)不同按結(jié)構(gòu)不同場(chǎng)效應(yīng)管有兩種場(chǎng)效應(yīng)管有兩種: :本節(jié)僅介紹絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管本節(jié)僅介紹絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管按工作狀態(tài)可分為：按工作狀態(tài)可分為：漏極漏極D柵極柵極G源極源極SSiO2絕緣層絕緣層P型硅襯底型硅襯底 高摻雜高摻雜N區(qū)區(qū)GSD 。 EGP型硅襯底型硅襯底N+N+GSD+UGSED+ 由結(jié)構(gòu)圖可見(jiàn)，由結(jié)構(gòu)圖可見(jiàn)，N+型漏區(qū)和型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被型源區(qū)之間被P型型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個(gè)背靠背的襯底隔開，漏極和源極之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。結(jié)。 當(dāng)柵源電壓當(dāng)柵源電壓UGS = 0 時(shí)時(shí)，不管漏

14、極和源極之間所不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其加電壓的極性如何，其中總有一個(gè)中總有一個(gè)PN結(jié)是反向結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零漏極電流近似為零。SDEGP型硅襯底型硅襯底N+N+GSD+UGSED+ 當(dāng)當(dāng)UGS 0 時(shí)，時(shí)，P型襯底中的電子受到電場(chǎng)力的吸型襯底中的電子受到電場(chǎng)力的吸引到達(dá)表層，填補(bǔ)空穴形成負(fù)離子的耗盡層；引到達(dá)表層，填補(bǔ)空穴形成負(fù)離子的耗盡層；N型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道EGP型硅襯底型硅襯底N+N+GSD+UGSED+N型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道當(dāng)當(dāng)UGS UGS(th）后，場(chǎng)效后，場(chǎng)效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道，應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道，開始導(dǎo)通，若漏

15、開始導(dǎo)通，若漏源之間源之間加上一定的電壓加上一定的電壓UDS，則，則有漏極電流有漏極電流ID產(chǎn)生。在產(chǎn)生。在一定的一定的UDS下漏極電流下漏極電流ID的大小與柵源電壓的大小與柵源電壓UGS有有關(guān)。所以，場(chǎng)效應(yīng)管是關(guān)。所以，場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器一種電壓控制電流的器件。件。 在一定的漏在一定的漏源電壓源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通變下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓為導(dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。無(wú)導(dǎo)電無(wú)導(dǎo)電溝道溝道UDSUGS/ID/mAUDS/Vo oUGS= 1VUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4VN型襯底型襯底P+P+GSD符號(hào)：符號(hào)：結(jié)構(gòu)

16、結(jié)構(gòu)SiO2絕緣層絕緣層加電壓才形成加電壓才形成 P型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道 增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管只有當(dāng)增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管只有當(dāng)時(shí)才形成導(dǎo)時(shí)才形成導(dǎo)電溝道。電溝道。GSD符號(hào)：符號(hào)：SiO2絕緣層中絕緣層中摻有正離子摻有正離子予埋了予埋了N型型 導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道 由于耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在由于耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在UGS= 0時(shí)，若漏時(shí)，若漏源之間加上一定的電壓源之間加上一定的電壓UDS，也，也會(huì)有漏極電流會(huì)有漏極電流 ID 產(chǎn)生。產(chǎn)生。 當(dāng)當(dāng)UGS達(dá)到一定負(fù)值時(shí)，達(dá)到一定負(fù)值時(shí)，N型導(dǎo)電溝道消失，型導(dǎo)電溝道消失，ID= 0，稱為場(chǎng)效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。稱為場(chǎng)效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時(shí)的這時(shí)的UGS稱為夾斷電壓，用稱為夾斷電壓，用UGS(o