常用半導(dǎo)體器件剖析

會(huì)計(jì)學(xué)1常用半導(dǎo)體器件剖析第一節(jié)PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特點(diǎn)

PN結(jié)返回第1頁(yè)/共51頁(yè)一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特點(diǎn)1.半導(dǎo)體材料

物質(zhì)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。半導(dǎo)體是4價(jià)元素。半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力受光和熱影響。

T↑

導(dǎo)電能力↑光照↑導(dǎo)電能力↑純凈的半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)導(dǎo)電性會(huì)大大增強(qiáng)。返回第2頁(yè)/共51頁(yè)+4

純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體中的載流子自由電子(－)

空穴（+）2.本征半導(dǎo)體空穴與電子成對(duì)出現(xiàn)并可以復(fù)合。*空穴的移動(dòng)返回第3頁(yè)/共51頁(yè)3.雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體摻5價(jià)元素，如磷，自由電子數(shù)多于空穴數(shù)，自由電子數(shù)是多子。

P型半導(dǎo)體摻3價(jià)元素，如硼，空穴數(shù)多于自由電子數(shù)，空穴是多子。返回第4頁(yè)/共51頁(yè)N型半導(dǎo)體磷原子硅原子+N型硅表示+4+5+4+4硅或鍺+少量磷N型半導(dǎo)體多余電子返回第5頁(yè)/共51頁(yè)P(yáng)型半導(dǎo)體硼原子P型硅表示+4+4+4+3硅原子硅或鍺+少量硼P型半導(dǎo)體多余空穴返回第6頁(yè)/共51頁(yè)返回4．?dāng)U散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)載流子由于濃度差異而形成運(yùn)動(dòng)叫擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在電場(chǎng)作用下，載流子的定向運(yùn)動(dòng)叫漂移運(yùn)動(dòng)。

第7頁(yè)/共51頁(yè)1.PN結(jié)的形成二、

PN結(jié)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)削弱內(nèi)電場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)平衡－－－－－－－－－－－－－－－－P內(nèi)電場(chǎng)電荷區(qū)空間擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)N返回第8頁(yè)/共51頁(yè)

外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反

空間電荷區(qū)(耗盡層)變薄

擴(kuò)散＞漂移導(dǎo)通電流很大,呈低阻態(tài)。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕璓N內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)

加正向電壓（正偏）P（+）N（－）返回少子形成的電流，可忽略。第9頁(yè)/共51頁(yè)外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)相同耗盡層加厚

漂移＞擴(kuò)散少子形成反向電流IR，很小，呈高阻態(tài)。N－－－－－－－－－－－－－－－－P

內(nèi)電場(chǎng)

外電場(chǎng)

加反向電壓（反偏）P（－）N（+）PN結(jié)正偏，導(dǎo)通；PN結(jié)反偏，截止返回第10頁(yè)/共51頁(yè)第二節(jié)半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)返回第11頁(yè)/共51頁(yè)一、半導(dǎo)體二極管的伏安特性+P區(qū)－陽(yáng)極N區(qū)－陰極陽(yáng)極陰極1.正向特性死區(qū)電壓硅管0.5V

鍺管0.1V

正向?qū)妷汗韫?.7V

鍺管0.3VI/mAU/V反向擊穿電壓死區(qū)GeSi2.

反向特性反向飽和電流很小，可視為開(kāi)路；反向電壓過(guò)高，電流急增，二極管發(fā)生擊穿。導(dǎo)通電壓VD返回O第12頁(yè)/共51頁(yè)二、半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF

二極管允許通過(guò)的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓URM

保證二極管不被擊穿允許加的最大反向電壓。3.最大反向飽和電流IR

室溫下，二極管加最高反向電壓時(shí)的反向電流，與溫度有關(guān)。返回第13頁(yè)/共51頁(yè)例1、如圖，當(dāng)E＝5V時(shí)，I＝5mA，則E=10V，I＝（）

A.I＝10mAB.I>10mAC.I＜10mAD.不確定EVDIB返回第14頁(yè)/共51頁(yè)O

例2、如圖，E＝5V，二極管正向壓降忽略不計(jì)，畫(huà)出

uo波形。EVDuiuo10ui/Vωtui<EVD截止

uo=Eui>EVD導(dǎo)通

uo=ui5uoωt5

利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪?duì)輸出信號(hào)起限幅作用。返回O第15頁(yè)/共51頁(yè)

例3、如圖，E＝6V，二極管正向壓降忽略不計(jì)，畫(huà)出uo波形。EVD1uiuo10ui/Vωt6EVD2R－6ui>E，VD1導(dǎo)通，VD2截止

uo=E=6V－E<ui<E

，VD1、VD2截止，

uo=uiuoωt解：ui<－E，

VD2導(dǎo)通，VD1截止

uo=－E=－6V6返回OO第16頁(yè)/共51頁(yè)例4、二極管組成電路如圖，設(shè)二極管導(dǎo)通電壓為0.3V，試求輸出電壓UF。+3VUF－12VR0VVD1VD23V

>0>－12VVD1率先導(dǎo)通，

UF＝3V－0.3V＝2.7VVD2截止解：返回第17頁(yè)/共51頁(yè)第三節(jié)特殊二極管

穩(wěn)壓管光敏二極管發(fā)光二極管返回第18頁(yè)/共51頁(yè)

穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。特點(diǎn)：電流變化大，電壓變化小。1.穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓管：1）加正向電壓時(shí)等同于二極管。

2）加反向電壓時(shí)使其擊穿后穩(wěn)壓。I/mAU/V反向擊穿電壓VS返回一、穩(wěn)壓管O第19頁(yè)/共51頁(yè)1)穩(wěn)定電壓UZ

正常工作下，穩(wěn)壓管兩端電壓。同一型號(hào)的穩(wěn)壓管分散性較大。

2)穩(wěn)定電流IZ

正常工作下的參考電流。大小由限流電阻決定。

3)動(dòng)態(tài)電阻rZ

rZ=△U/△I

rZ越小，穩(wěn)壓效果越好。2.穩(wěn)壓管參數(shù)返回第20頁(yè)/共51頁(yè)4)溫度系數(shù)αu

溫度改變1℃，穩(wěn)壓值改變的百分比。其值可正，可負(fù)。5)最大允許耗散功率PZM

管子不至于產(chǎn)生熱損壞時(shí)的最大功率損耗值叫做最大耗散功率。穩(wěn)壓管工作時(shí)，功耗超過(guò)PZM

，管子將會(huì)因熱擊穿而損壞。返回第21頁(yè)/共51頁(yè)返回例1、如圖，已知UZ=10V，負(fù)載電壓UL（）（Ａ）5Ｖ（Ｂ）10Ｖ（Ｃ）15Ｖ（Ｄ）20ＶAVS20V15kΩ5kΩUL

穩(wěn)壓管的工作條件（１）必須工作在反向擊穿狀態(tài)。（２）電路中應(yīng)有限流電阻，以保證反向電流不超過(guò)允許范圍。第22頁(yè)/共51頁(yè)例2、已知ui=6sinωt，UZ=3V，畫(huà)輸出波形。VSuiuo6ui/Vωt3uoωt3返回OO第23頁(yè)/共51頁(yè)例3、圖示電路中，穩(wěn)壓管VS1、VS2的穩(wěn)壓值分別為UZ1＝5V，UZ2＝7V，正向壓降為0.7Ｖ，若輸入電壓Ui波形如圖所示，試畫(huà)出輸出電壓波形。RRVS1VS2UiUoUit6V12V－2VUi經(jīng)電阻分壓UR＝Ui/2

當(dāng)UR<5V，VS1、VS2截止，Uo=UR7V>UR>5V，VS1反向?qū)ǎ琕S2截止，Uo=UZ1

UR<－0.7V，VS1、VS2正向?qū)ǎ琔o=－0.7VUot3V5V－0.7V解：返回第24頁(yè)/共51頁(yè)返回二、光敏二極管

光敏二極管(或稱(chēng)光電二極管)是一種將光能轉(zhuǎn)換成電流的器件。

光敏二極管的PN結(jié)接受光線(xiàn)照射時(shí)，會(huì)像熱激發(fā)一樣，可以成對(duì)地產(chǎn)生大量的電子和空穴，使半導(dǎo)體中少子的濃度提高。這些載流子在反向偏置下可以產(chǎn)生漂移電流，使反向電流顯著增加。

反向電流的大小與光照強(qiáng)度成正比。第25頁(yè)/共51頁(yè)VL返回三、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件，簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)ED。

當(dāng)LED正向?qū)〞r(shí)，由于電子與空穴的復(fù)合而以光的形式放出能量。

發(fā)光二極管的發(fā)光顏色取決于使用的材料。

發(fā)光二極管只能工作在正向偏置狀態(tài)，工作時(shí)電路中必須串接限流電阻。第26頁(yè)/共51頁(yè)第四節(jié)晶體管

晶體管的基本結(jié)構(gòu)和類(lèi)型晶體管的電流分配和放大原理晶體管的特性曲線(xiàn)晶體管的主要參數(shù)溫度對(duì)晶體管特性和參數(shù)的影響返回第27頁(yè)/共51頁(yè)一、晶體管的基本結(jié)構(gòu)和類(lèi)型基區(qū)集電區(qū)發(fā)射區(qū)基極集電極發(fā)射極集電結(jié)發(fā)射結(jié)NPN型VT返回第28頁(yè)/共51頁(yè)P(yáng)NP型特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)參雜濃度很大，基區(qū)薄且濃度低，集電結(jié)體積大。VT返回第29頁(yè)/共51頁(yè)二、晶體管的電流分配和放大原理１．放大條件（１）內(nèi)部特點(diǎn)決定 發(fā)射區(qū)產(chǎn)生大量載流子;

基區(qū)傳送載流子;

集電區(qū)收集載流子。（２）外部條件 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。返回第30頁(yè)/共51頁(yè)IEICIBRBRCEBECNNP發(fā)射區(qū)電子發(fā)射結(jié)正偏利于發(fā)射區(qū)發(fā)射電子基區(qū)集電結(jié)反偏利于集電區(qū)收集電子

集電區(qū)2.電流分配返回少子的移動(dòng)第31頁(yè)/共51頁(yè)IBRBEBICRCECIE基極電流很小的變化，將引起集電極電流一個(gè)很大的變化。直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)返回第32頁(yè)/共51頁(yè)1.輸入特性曲線(xiàn)

三、晶體管特性曲線(xiàn)IB＝f(UBE)︳UCE=常數(shù)

IB/μAUBE/VUCE=0UCE≥1

發(fā)射結(jié)、集電結(jié)正偏，兩個(gè)二極管正向并聯(lián)。

集電結(jié)反偏，IB減小UCE>1IB變化很小，與UCE=1曲線(xiàn)重合。返回O第33頁(yè)/共51頁(yè)2．輸出特性曲線(xiàn)飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)

截止區(qū)IB≈0，IC≈0，UBE≤0發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。

放大區(qū)

IC＝βIB

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

飽和區(qū)

UCE≤UBE

，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)正偏。IC/mAUCE/VIB＝0IB＝20μAIB＝40μAIB＝60μAIB＝80μA返回O第34頁(yè)/共51頁(yè)2．極間反向電流

ICBO：發(fā)射極開(kāi)路，基極與集電極間的反向飽和電流，受溫度影響大。

ICEO：基極開(kāi)路，集電極與發(fā)射極間的穿透電流。四、晶體管主要參數(shù)1．

放大倍數(shù)返回第35頁(yè)/共51頁(yè)

集電極最大電流ICM

IC<ICM

集電極—發(fā)射極反向擊穿電壓UCEO

基極開(kāi)路，加在集電極和發(fā)射極間的最大允許工作電壓。

UCE<UCEO

集電極最大允許功耗PCM

ICUCE<PCM3．極限參數(shù)返回第36頁(yè)/共51頁(yè)五、溫度對(duì)晶體管的影響溫度對(duì)ICEO、ICBO的影響

ICEO、ICBO隨溫度上升急劇增加，溫度每升高10℃，ICBO約增加一倍。溫度對(duì)鍺管的影響比較大。溫度對(duì)β

的影響溫度增加，β

隨之增加。3.溫度對(duì)UBE

的影響溫度增加，UBE

隨之減少。返回第37頁(yè)/共51頁(yè)例1：由晶體管各管腳電位判定晶體管屬性（1）

A:1VB：0.3VC:3V（2）A:－0.2VB:0VC:－3V如何區(qū)分硅管和鍺管如何區(qū)分NPN、PNP管如何區(qū)分三個(gè)極A.︱UBE︳≈0.2V(鍺管）

︱UBE︳≈0.7V(硅管）B.步驟：1.區(qū)分硅管、鍺管，并確定C極（以相近兩個(gè)電極的電壓差為依據(jù)，

UBE硅＝0.7V／UBE鍺＝0.2V～0.3V）

2.區(qū)分NPN、PNP管（NPN：VC最高

，PNP：VC最低

）

3.區(qū)分三極（NPN：VC>VB>VE

PNP：VC<UB<VE）解：（1）硅管、NPN管A：基極；B:發(fā)射極；C:集電極（2）鍺管、PNP管A:基極；B:發(fā)射極；C:集電極返回第38頁(yè)/共51頁(yè)例2：有三只晶體管，分別為鍺管β＝150，ICBO＝2μA；硅管β＝100，ICBO＝1μA；硅管β＝40，ICEO＝41μA；試從β和溫度穩(wěn)定性選擇一只最佳的管子。解：

β

值大，但I(xiàn)CBO也大，溫度穩(wěn)定性較差；β值較大，ICBO＝1μA，ICEO＝101μA；β

值較小，ICEO＝41μA，ICBO＝1μA。、ICBO相等，但的β

較大，故較好。返回第39頁(yè)/共51頁(yè)第五節(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管N溝道增強(qiáng)型MOS管

N溝道耗盡型MOS管

MOS管的主要參數(shù)及使用注意事項(xiàng)返回第40頁(yè)/共51頁(yè)返回場(chǎng)效應(yīng)晶體管是用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子，使流過(guò)半導(dǎo)體內(nèi)的電流大小隨電場(chǎng)強(qiáng)弱而變化，形成電壓控制其導(dǎo)電的一種半導(dǎo)體器件。與晶體管相比場(chǎng)效應(yīng)晶體管更易于集成。場(chǎng)效應(yīng)晶體管有兩種:N溝道P溝道耗盡型增強(qiáng)型結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管第41頁(yè)/共51頁(yè)返回PN＋N＋GSDN區(qū)SiO2絕緣層源極柵極漏極金屬鋁P型襯底GSDBB一、N溝道增強(qiáng)型MOS管第42頁(yè)/共51頁(yè)返回IDmAUDSUGSGSDRD

特性曲線(xiàn)UGS＝0，ID＝0UGS>開(kāi)啟電壓形成導(dǎo)電溝道ID隨UGS的增加而增大漏極特性曲線(xiàn)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)ID/mAUDS/VUGS＝2VUGS＝5VUGS＝6V場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件OV第43頁(yè)/共51頁(yè)返回轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)IDUGSUGS（th）開(kāi)啟電壓

固定一個(gè)UDS，ID和UGS的關(guān)系曲線(xiàn)，稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。IDO是UGS(th)/2時(shí)的ID值

在一定的漏－源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓UGS(th）。O第44頁(yè)/共51頁(yè)返回二、N溝道耗盡型MOS管PN+N+GSDGSDBB＋＋＋＋N型溝道

耗盡型管子的柵源電壓，在一定范圍內(nèi)正、負(fù)值均可控制漏極電流的大小。耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管在制造時(shí)導(dǎo)電溝道就已形成第45頁(yè)/共51頁(yè)返回

特性曲線(xiàn)ID(mA)UDS(V)UGS＝－0.8VUGS＝0VUGS＝0.2VOUGS（off）IDUGS夾斷電壓漏極特性曲線(xiàn)