二極管、三極管-PPT課件

1、半導(dǎo)體器件1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識，P型硅，N型硅2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管3 特殊二極管4 半導(dǎo)體三極管5 場效應(yīng)管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。Si硅原子Ge鍺原子1 半導(dǎo)體的基本知識化學(xué)元素周期表通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。在硅和鍺晶體中，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+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

2、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。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+41.2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。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴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)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受

3、束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。硅或鍺 +少量磷 N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSiP型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。硅或鍺 +少量硼 P型半導(dǎo)體空穴P型半導(dǎo)體硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被認(rèn)為帶一個單位的正電荷，并且可以移動雜質(zhì)半

4、導(dǎo)體的示意表示法P型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體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N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運動內(nèi)電場E漂移運動擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。 在半導(dǎo)體中由于濃度差別，多數(shù)載流子（多子）從濃度高向濃度低的區(qū)域移動，稱擴(kuò)散運動；形成擴(kuò)散電流。少數(shù)載流子（少子）在內(nèi)電場作用下，有規(guī)則的運動稱為漂移運動；形成漂移電流。漂移運動P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運動內(nèi)電場E所以擴(kuò)散和漂移這一對

5、相反的運動最終達(dá)到平衡，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)電位VV01.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P 區(qū)中的空穴，N 區(qū)中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴(kuò)散運動）。3.P 區(qū)中的電子和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。（漂移運動）注意:一、PN 結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場+REPN+_內(nèi)電場被削弱，擴(kuò)散飄移，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流(正向電流）。2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?空間電荷區(qū)變薄正向電流PN 結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)PN 結(jié)正向偏置的意思是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負(fù)電壓。 只允許一個方向的電

6、流通過。形成正向電流，稱正向?qū)?。二、PN 結(jié)反向偏置+內(nèi)電場外電場NP+_內(nèi)電場被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE空間電荷區(qū)變厚PN 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)反向電流PN 結(jié)反向偏置的意思是： P 區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。 反向電流極小，稱反向截止。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，就成為半導(dǎo)體二極管。PNPN符號陽極陰極(2)伏安特性UI導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。反向擊穿電壓U(BR)死區(qū)電壓 硅管0.5V,鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流（很小，A級）二極管主要參數(shù)最大整流電流：最大正向平均電流IO

7、m；最大反向電壓：最高反向工作電壓URm；最大反向電流：IRm反映二極管的單向?qū)ㄌ匦远O管的應(yīng)用整流防反接限幅門電路例1：二極管：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 RLuiuOuiuott二極管半波整流例2：二極管的應(yīng)用RRLuiuRuotttuiuRuo3.其它類型二極管光電二極管光照影響反向電流，光強(qiáng)度高、反向電流大；發(fā)光二極管（LED）單管LED七段式數(shù)碼管矩陣式LED顯示屏穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管IZmax+-穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當(dāng)工作電流IZ在Izmax和

8、 Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓NPN型三極管三極管符號NPNCBEPNPCBEBECTBECTPNP型三極管CBENNP4.1 基本結(jié)構(gòu)、類型與符號4 半導(dǎo)體三極管(雙極型晶體管）結(jié)構(gòu)特點： 發(fā)射極摻雜濃度最大； 基區(qū)摻雜濃度最小，寬度最窄； 集電極面積最大。以使晶體管具有放大作用。發(fā)射結(jié)集電結(jié)基極BECNNP發(fā)射極集電極+ + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 基區(qū)： 較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高集電結(jié)發(fā)射結(jié)基極BCE

9、PPN集電極發(fā)射極+ + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ NPN型PNP型基本結(jié)構(gòu)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4.2 電流分配和放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散形成 IEP 。IEP進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBN ，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IEN。IBNIENIB=IBN+ IEPIBBECNNPEBRBECIEIEPIBNIENIB=IBN+ IEP

10、IB集電結(jié)反偏，使內(nèi)電場增強(qiáng)，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電結(jié)邊緣的電子，在內(nèi)電場的作用下，漂移進(jìn)集電區(qū)，形成 ICN 。ICN集電結(jié)反偏，有少子發(fā)生漂移運動，形成極小的 反向電流ICBO。ICBOIC = ICN+ICBO ICNICBO IBN發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IEN。進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBN ，大部分?jǐn)U散到集電結(jié)邊緣?；鶇^(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散形成 IEP 。ICBO直流電流放大倍數(shù)PN 結(jié)反向偏置+內(nèi)電場外電場NP+_內(nèi)電場被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE空間電荷區(qū)變厚PN 結(jié)處

11、于截止?fàn)顟B(tài)反向電流PN 結(jié)反向偏置的意思是： P 區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。 反向電流極小，稱反向截止。B極C極ICBOICN集電結(jié)反偏，使內(nèi)電場增強(qiáng)，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電結(jié)邊緣，數(shù)量極大的電子，在內(nèi)電場的作用下，漂移進(jìn)集電區(qū)，形成 極大ICN 。IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE ICE與IBE之比稱為電流放大倍數(shù)：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。NPN型三極管PNP型三極管BECTIBIEICBECTICIBIE 三極管的電流方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)所處的極性：4.3 特性曲線ICmAAVVU

12、CEUBERBIBECEB 實驗電路一、輸入特性曲線UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死區(qū)電壓： 硅管0.5V， 鍺管0.2V。輸入特性曲線是指UCE為常數(shù)時， IB與UBE之間的關(guān)系曲線。即：二、輸出特性曲線IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB 稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。輸出特性曲線是指IB 為常數(shù)時， IC與UCE之間的關(guān)系曲線。即：IC(mA )1

13、234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE0.3V (3) 截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，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

14、：4.4 主要參數(shù)1. 電流放大倍數(shù) 和 在以后的計算中，一般作近似處理： =例： UCE=6V時：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。2.集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBEICBO進(jìn)入N區(qū)，形成IBE。根據(jù)放大關(guān)系，由于IBE的存在，必有電流IBE。當(dāng)集電結(jié)反偏時，集電區(qū)的空穴漂移到基區(qū)而 形成的ICBO3. 集-射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)

15、增加。三極管的溫度特性較差。4.集電極最大允許電流 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。5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO當(dāng)集-射極之間的電壓UCE超過一定的數(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安全工作區(qū)三極管開關(guān)電路控制較大功率的LED開關(guān)5 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種:N溝道P溝道耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型 MOS絕緣柵場效應(yīng)管（N溝道）（1） 結(jié)構(gòu)PNNGSDP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層金屬鋁N導(dǎo)電溝道未預(yù)留 N溝道增強(qiáng)型預(yù)留 N溝道耗盡型PNNGSDGSDN溝道增強(qiáng)型（2）符號N溝道耗盡型GSD柵極漏極源極耗盡型N溝道MOS管的特性曲線IDmAVUDSUGS 實驗線路(共源極接法)GSD輸出特性曲線UGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夾斷電壓UP=-2V固定一個U DS