《半導(dǎo)體器件-《模擬電子技術(shù)》.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《半導(dǎo)體器件-《模擬電子技術(shù)》.ppt（93頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、(1-1),電子技術(shù),第一章半導(dǎo)體器件,模擬電路部分,(1-2),第一章半導(dǎo)體器件,1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管1.3特殊二極管1.4半導(dǎo)體三極管1.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管,(1-3),,,1.1.1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱(chēng)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(chēng)為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半導(dǎo)體：另有一類(lèi)物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱(chēng)為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí),(1-4),半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)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(diǎn)。例如：,當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，
2、它的導(dǎo)電能力明顯變化。,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。,(1-5),1.1.2本征半導(dǎo)體,一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。,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(jià)電子）都是四個(gè)。,(1-6),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，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。,(1-7),硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),共價(jià)鍵共用電子對(duì),+4表示除去價(jià)電子后的原子,(1-8),共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊
3、緊束縛在共價(jià)鍵中，稱(chēng)為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)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。,形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,(1-9),二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)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(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。,1.載流子、自由電子和空穴,(1-10),自由電
4、子,空穴,束縛電子,(1-11),2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(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(dòng)，因此可以認(rèn)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，即自由電子和空穴。,(1-12),溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。,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(dòng)產(chǎn)生的電流。2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。,(1-13),1.1.3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(huì)使半導(dǎo)體的
5、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。,P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（空穴半導(dǎo)體）。,N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（電子半導(dǎo)體）。,(1-14),一、N型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)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(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，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(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱(chēng)為施主原子。,(1-15),,多余電子,磷原子,N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？,1.由
6、施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,2.本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。,摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子（多子），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）。,(1-16),二、P型半導(dǎo)體,空穴,硼原子,P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。,(1-17),三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。,(1-18),,2.1.1PN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(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。,
7、1.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管,(1-19),,,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,,,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(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,(1-20),所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,(1-21),,,,,空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),,,,,電位V,V0,,(1-22),1.空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。,2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴.N區(qū)中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。,3.P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,注意:,(1-2
8、3),2.1.2PN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(fù)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(fù)、N區(qū)加正電壓。,(1-24),一、PN結(jié)正向偏置,P,N,+,_,內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。,(1-25),二、PN結(jié)反向偏置,,,,,,,,,N,P,+,_,內(nèi)電場(chǎng)被被加強(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。,,,,,,R,E,(1-26),2.1.3半導(dǎo)體二極管,一、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。,點(diǎn)接觸型,面接觸型,(1-27),二、伏安特性,,死區(qū)電壓
9、硅管0.6V,鍺管0.2V。,,導(dǎo)通壓降:硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。,,反向擊穿電壓UBR,(1-28),三、主要參數(shù),1.最大整流電流IOM,二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。,2.反向擊穿電壓UBR,二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。,(1-29),3.反向電流IR,指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大
10、幾十到幾百倍。,以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦裕饕獞?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。,(1-30),4.微變電阻rD,uD,rD是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：,顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。,(1-31),5.二極管的極間電容,二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。,勢(shì)壘電容：勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容。,擴(kuò)散電容：為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P區(qū)有濃度差，越靠近
11、PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。,(1-32),CB在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí)，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略。,PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：,勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng),(1-33),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1：二極管半波整流,(1-34),二極管的應(yīng)用舉例2：,(1-35),,1.3.1穩(wěn)壓二極管,U,IZ,穩(wěn)壓誤差,曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。,-,UZ,1.3特殊二極管,(1-36),（4）
12、穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。,（5）最大允許功耗,穩(wěn)壓二極管的參數(shù):,（1）穩(wěn)定電壓UZ,（3）動(dòng)態(tài)電阻,(1-37),負(fù)載電阻。,要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。,穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例,穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):,解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為Izmax。,求：電阻R和輸入電壓ui的正常值。,,方程1,(1-38),令輸入電壓降到下限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為Izmin。,,方程2,聯(lián)立方程1、2，可解得：,(1-39),1.3.2光電二極管,反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。,(1-40),1.3.3發(fā)光二極管,有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一
13、定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)波段的光，它的電特性與一般二極管類(lèi)似。,(1-41),,1.4.1基本結(jié)構(gòu),基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,PNP型,1.4半導(dǎo)體三極管,(1-42),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,(1-43),發(fā)射結(jié),集電結(jié),(1-44),1.4.2電流放大原理,,,,EB,RB,EC,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IBE，多數(shù)擴(kuò)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(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。,(1-45),,,,EB,RB,EC,集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。,從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)
14、的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。,(1-46),IB=IBE-ICBOIBE,(1-47),ICE與IBE之比稱(chēng)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。,(1-48),NPN型三極管,PNP型三極管,(1-49),1.4.3特性曲線,IC,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,V,,,,,,UCE,,,,UBE,RB,IB,EC,EB,實(shí)驗(yàn)線路,,,,,,,,,(1-50),一、輸入特性,,,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0.2V。,(1-51),二、輸出特性,IC(mA),
15、,,,,,,,此區(qū)域滿(mǎn)足IC=IB稱(chēng)為線性區(qū)（放大區(qū)）。,當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。,(1-52),,此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE0.3V稱(chēng)為飽和區(qū)。,(1-53),,此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱(chēng)為截止區(qū)。,(1-54),輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):,放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即：IC=IB,且IC=IB,(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V,(3)截止區(qū)：UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0,(1-55),例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k當(dāng)
16、USB=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？,當(dāng)USB=-2V時(shí)：,IB=0，IC=0,IC最大飽和電流：,Q位于截止區(qū),(1-56),例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k當(dāng)USB=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？,IC
17、公共點(diǎn)，稱(chēng)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(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)?；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,(1-59),例：UCE=6V時(shí)：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。,在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：=,(1-60),2.集-基極反向截止電流ICBO,ICBO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。,(1-61),,,,,,,B,E,C,N,N,P,,,,ICBO進(jìn)入N區(qū)，形成IBE。,根據(jù)放大關(guān)系，由于IBE的存在，必
18、有電流IBE。,集電結(jié)反偏有ICBO,3.集-射極反向截止電流ICEO,ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。,(1-62),4.集電極最大電流ICM,集電極電流IC上升會(huì)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(shí)的集電極電流即為ICM。,5.集-射極反向擊穿電壓,當(dāng)集---射極之間的電壓UCE超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓U(BR)CEO。,(1-63),6.集電極最大允許功耗PCM,集電極電流IC流過(guò)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
19、有限制。,PCPCM,,ICUCE=PCM,,安全工作區(qū),(1-64),,場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET,絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS,場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:,1.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管,(1-65),N,基底：N型半導(dǎo)體,兩邊是P區(qū),G(柵極),S源極,D漏極,一、結(jié)構(gòu),1.5.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管:,導(dǎo)電溝道,(1-66),N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,,(1-67),,P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,(1-68),二、工作原理（以P溝道為例）,UDS=0V時(shí),PN結(jié)反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。,(1-69),,ID,UDS=0V時(shí),UGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越
20、窄，電阻越大。,但當(dāng)UGS較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。,(1-70),,,,,,,,,P,G,S,D,,,,,,,,,UDS,UGS,UDS=0時(shí),UGS達(dá)到一定值時(shí)（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時(shí)，即使UDS0V，漏極電流ID=0A。,,ID,(1-71),UGS0、UGD
21、延伸。,,ID,(1-74),UGS
22、以很好地解決這些問(wèn)題。,2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會(huì)顯著下降。,(1-80),1.5.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管:,一、結(jié)構(gòu)和電路符號(hào),P型基底,兩個(gè)N區(qū),SiO2絕緣層,導(dǎo)電溝道,金屬鋁,N溝道增強(qiáng)型,(1-81),N溝道耗盡型,予埋了導(dǎo)電溝道,(1-82),P溝道增強(qiáng)型,(1-83),P溝道耗盡型,予埋了導(dǎo)電溝道,(1-84),二、MOS管的工作原理,以N溝道增強(qiáng)型為例,UGS=0時(shí),對(duì)應(yīng)截止區(qū),(1-85),UGS0時(shí),感應(yīng)出電子,VT稱(chēng)為閾值電壓,(1-86),,UGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來(lái)，UGS越大此電阻越小。,(1-87),,當(dāng)UDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻的。,當(dāng)UDS較大時(shí)，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。,(1-88),,,UDS增加，UGD=VT時(shí)，靠近D端的溝道被夾斷，稱(chēng)為予夾斷。,(1-89),三、增強(qiáng)型N溝道MOS管的特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線,(1-90),輸出特性曲線,UGS0,(1-91),四、耗盡型N溝道MOS管的特性曲線,耗盡型的MOS管UGS=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。,轉(zhuǎn)移特性曲線,(1-92),輸出特性曲線,UGS=0,UGS<0,UGS0,(1-93),電子技術(shù),第一章結(jié)束,模擬電路部分,
半導(dǎo)體器件-《模擬電子技術(shù)》.ppt
