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第一章常用半導(dǎo)體器件
10學(xué)時第一章常用半導(dǎo)體器件§1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識§1.2半導(dǎo)體二極管§1.3晶體三極管§1.4場效應(yīng)管1§1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运摹N結(jié)的電容效應(yīng)22、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運動,具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的游離使共價鍵中留有一個空位置,稱為空穴
自由電子與空穴相碰同時消失,稱為復(fù)合。共價鍵一定溫度下,自由電子與空穴對的濃度一定;溫度升高,熱運動加劇,掙脫共價鍵的電子增多,自由電子與空穴對的濃度加大。動態(tài)平衡4兩種載流子
外加電場時,帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電,且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少,故本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性很差。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體?3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。溫度升高,熱運動加劇,載流子濃度增大,導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。5二、雜質(zhì)半導(dǎo)體
1.N型半導(dǎo)體磷(P)
雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多,多子濃度越高,導(dǎo)電性越強(qiáng),實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了?少了?為什么?6三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>
物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴(kuò)散運動。氣體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運動P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴(kuò)散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低,產(chǎn)生內(nèi)電場。8PN結(jié)的形成
因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。
參與擴(kuò)散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同,達(dá)到動態(tài)平衡,就形成了PN結(jié)。漂移運動
由于擴(kuò)散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子,形成內(nèi)電場,從而阻止擴(kuò)散運動的進(jìn)行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。9PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通:耗盡層變窄,擴(kuò)散運動加劇,由于外電源的作用,形成擴(kuò)散電流,PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止:耗盡層變寬,阻止擴(kuò)散運動,有利于漂移運動,形成漂移電流。由于電流很小,故可近似認(rèn)為其截止(不導(dǎo)通)。PN結(jié)的單向?qū)щ娦员匾獑幔?0問題為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體,導(dǎo)電性能極差,又將其摻雜,改善導(dǎo)電性能?為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差?是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素?為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率?12§2半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管13
一、二極管的組成將PN結(jié)封裝,引出兩個電極,就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管13
二、二極管的伏安特性及電流方程材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。15從二極管的伏安特性可以反映出:
1.單向?qū)щ娦?.伏安特性受溫度影響T(℃)↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑,U(BR)↓T(℃)↑→正向特性左移,反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線增大1倍/10℃16三、二極管的等效電路理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時UD=0截止時IS=0導(dǎo)通時UD=Uon截止時IS=0導(dǎo)通時△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路!1.將伏安特性折線化?100V?5V?1V?17四、二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF:最大平均值最大反向工作電壓UR:最大瞬時值反向電流IR:即IS最高工作頻率fM:因PN結(jié)有電容效應(yīng)第四版——P2019討論:解決兩個問題如何判斷二極管的工作狀態(tài)?什么情況下應(yīng)選用二極管的什么等效電路?uD=V-iRQIDUDV與uD可比,則需圖解:實測特性對V和Ui二極管的模型有什么不同?20五、穩(wěn)壓二極管1.伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流
由一個PN結(jié)組成,反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變,為穩(wěn)定電壓。2.主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM=IZMUZ動態(tài)電阻rz=ΔUZ
/ΔIZ若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓,若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞,因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻!限流電阻斜率?21
一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號多子濃度高多子濃度很低,且很薄面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔?23二、晶體管的放大原理
擴(kuò)散運動形成發(fā)射極電流IE,復(fù)合運動形成基極電流IB,漂移運動形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運動因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低,使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大,在外電場作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴(kuò)散24電流分配:
IE=IB+I(xiàn)C
IE-擴(kuò)散運動形成的電流
IB-復(fù)合運動形成的電流IC-漂移運動形成的電流穿透電流集電結(jié)反向電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)為什么基極開路集電極回路會有穿透電流?252.輸出特性β是常數(shù)嗎?什么是理想晶體管?什么情況下?對應(yīng)于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大?為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線?飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)27晶體管的三個工作區(qū)域
晶體管工作在放大狀態(tài)時,輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB,即可將輸出回路等效為電流iB控制的電流源iC。狀態(tài)uBEiCuCE截止<UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE飽和≥Uon<βiB≤uBE28四、溫度對晶體管特性的影響29五、主要參數(shù)
直流參數(shù):、、ICBO、ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率,PCM=iCuCE=Constant安全工作區(qū)交流參數(shù):β、α、fT(使β=1的信號頻率)
極限參數(shù):ICM、PCM、U(BR)CEO30討論一由圖示特性求出PCM、ICM、U(BR)CEO
、β。2.7uCE=1V時的iC就是ICMU(BR)CEO31清華大學(xué)華成英討論二:利用Multisim測試晶體管的輸出特性32利用Multisim分析圖示電路在V2小于何值時晶體管截止、大于何值時晶體管飽和。討論三以V2作為輸入、以節(jié)點1作為輸出,采用直流掃描的方法可得!約小于0.5V時截止約大于1V時飽和描述輸出電壓與輸出電壓之間函數(shù)關(guān)系的曲線,稱為電壓傳輸特性。33§1.4場效應(yīng)管(以N溝道為例)
場效應(yīng)管有三個極:源極(s)、柵極(g)、漏極(d),對應(yīng)于晶體管的e、b、c;有三個工作區(qū)域:截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū),對應(yīng)于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。1.結(jié)型場效應(yīng)管符號結(jié)構(gòu)示意圖柵極漏極源極導(dǎo)電溝道單極型管∶噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)、低電壓工作34柵-源電壓對導(dǎo)電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱為夾斷
uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓?UGS(off)35漏-源電壓對漏極電流的影響uGS>UGS(off)且不變,VDD增大,iD增大。預(yù)夾斷uGD=UGS(off)VDD的增大,幾乎全部用來克服溝道的電阻,iD幾乎不變,進(jìn)入恒流區(qū),iD幾乎僅僅決定于uGS。場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么?uGD>UGS(off)uGD<UGS(off)36夾斷電壓漏極飽和電流轉(zhuǎn)移特性場效應(yīng)管工作在恒流區(qū),因而uGS>UGS(off)且uGD<UGS(off)。uDG>-UGS(off)37g-s電壓控制d-s的等效電阻輸出特性預(yù)夾斷軌跡,uGD=UGS(off)可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于uGS擊穿區(qū)夾斷區(qū)(截止區(qū))夾斷電壓IDSSΔiD不同型號的管子UGS(off)、IDSS將不同。低頻跨導(dǎo):382.絕緣柵型場效應(yīng)管uGS增大,反型層(導(dǎo)電溝道)將變厚變長。當(dāng)反型層將兩個N區(qū)相接時,形成導(dǎo)電溝道。SiO2絕緣層襯底耗盡層空穴高摻雜反型層增強(qiáng)型管大到一定值才開啟39增強(qiáng)型MOS管uDS對iD的影響
用場效應(yīng)管組成放大電路時應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。N溝道增強(qiáng)型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么?iD隨uDS的增大而增大,可變電阻區(qū)uGD=UGS(th),預(yù)夾斷iD幾乎僅僅受控于uGS,恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uGS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻40耗盡型MOS管
耗盡型MOS管在uGS>0、uGS<0、uGS=0時均可導(dǎo)通,且與結(jié)型場效應(yīng)管不同,由于SiO2絕緣層的存在,在uGS>0時仍保持g-s間電阻非常大的特點。加正離子小到一定值才夾斷uGS=0時就存在導(dǎo)電溝道41MOS管的特性1)增強(qiáng)型MOS管2)耗盡型MOS管開啟電壓夾斷電壓42利用Multisim測試場效應(yīng)管的輸出特性從輸出特性曲線說明場效應(yīng)管的哪些特點?433.場效應(yīng)管的分類
工作在恒流區(qū)時g-s、d-s間的電壓極性uGS=0可工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種?uGS>0才可能工作在恒流區(qū)
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