半导体基本知识(PPT课件)

计算机电路基础执教者：谢婷本章内容•开关特性：二极管、三极管、MOS管•三种管子的特性曲线与主要参数重点和难点•重点：–１、理解PN结的单向导电性。–２、理解三极管的电流放大作用及实现电流作用的外部工作条件。理解三极管的输入特性和输出特性以及主要参数。–３、掌握三极管输出特性曲线中的截止区、放大区和饱和区等概念。–４、熟悉对三极管开关电路工作状态的分析方法。–５、熟悉MOS场效应管的分类及符号。•难点：–１、载流子运动规律与器件外部特性的关系。只须了解，不必深究半导体基本知识•半导体：–定义:导电性能介于导体和绝缘之间的物质–材料:常见硅、锗–硅、锗晶体的每个原子均是靠共价键紧密结合在一起。本征半导体•本征半导体：纯净的半导体。0K时，价电子不能挣脱共价键而参与导电，因此不导电。随T上升晶体中少数的价电子获得能量。挣脱共价键束缚，成为自由电子，原来共价键处留下空位称为空穴。空穴与自由电子统称载流子。•自由电子：负电荷•空穴：正电荷•不导电自由电子与空穴成对出现/复合杂质半导体•杂质半导体：–在本征半导体中掺入微量杂质。–导电性能发生变化•N型半导体•P型半导体N型半导体/电子型半导体•定义：硅晶体中掺入五价元素（磷、锑）•自由电子（多子）：掺杂+热激发•空穴（少子）：热激发P型半导体/空穴型半导体•定义：硅晶体中掺入三价元素（硼、铟）•自由电子（少子）：热激发•空穴（多子）：掺杂+热激发•总结：–多子：掺杂（主）+热激发–少子：热激发（主）PN结的形成•多子扩散运动形成耗尽层–空穴浓度：P区N区；自由电子：P区N区–多子由浓度高—浓度低扩散，扩散到对方复合，交界区仅剩正负离子形成耗尽层/阻挡层/空间电荷区/内电场EIN。•少子漂移运动–内电场的存在，阻止了多子的扩散，P区的少子——电子，N区少子——空穴，内电场作用下向对方移动——漂移。•总结：PN结中存在：由浓度差引起的多子扩散运动，它使阻挡层变宽；由内电场作用下产生的少子漂移运动，它使阻挡层变窄。当两者强度相当时，达到动态平衡。思考：PN结内部存在电场，若将P区与N区端点用导线连接，是否有电流流过？•无电流流过–在无外电压的条件下，扩散电流=漂移电流，且方向相反，处于平衡状态，所以流过交界面的静态电流为0。（一）PN结的单向导电性•1．加正向电压（正向偏置）–P区接电源正极，N区接电源负极。–外电场EEXT与内电场EIN方向相反。即削弱了内电场，空间电荷区变窄，有利于多子扩散，不利于少子漂移，使扩散电流大大超过了漂移电流，于是回路形成较大的正向电流IF。–EEXTEIN截止–EEXTEIN导通(一)PN结的单向导电性2.加反向电压（反向偏置）–P区接电源负极，N区接电源正极。–外电场EEXT与内电场EIN方向相同。即加强了内电场，空间电荷区变宽，不利于多子扩散，有利于少子漂移，使漂移电流超过扩散电流，于是回路中形成反向电流IR。因为是少子产生，所以很微弱。–PN结截止（一）PN结的单向导电性•总结：PN结具有单向导电性，当正向偏置时，有较大的正向电流，电阻很小，成导通状态，反向偏置时电流很小（几乎为0）。电阻很大，成截止状态。PN结的伏安特性•正向特性（u0）–UON：开启/导通电压–硅：0.5V锗：0.1V•反向特性(u0)•击穿特性–U（RB）：击穿电压–稳压管使用半导体二极管•A：阳极/正极K：阴极/负极•二极管的伏安特性与PN结伏安特性一致。•二极管主要参数：–1．最大正向电流IF–2．反向击穿电压U（RB）–3．反向电流IR–4．最高工作频率FT和反向恢复时间tre–5、温度影响限幅电路如图示：假设输入UI为一周期性矩形脉冲，低电压UIL=-5V，高电压UIH=5V。•当输入UI为-5V时，二极管D截止，•视为“开路”，输出UO=0V。•当输入UI为+5V时，二极管D导通，•由于其等效电阻RD相对于负载电•阻R的值小得多，故UI基本落在R上，•即UO=UI=+5V。二极管分析•1、分析二极管的状态：是导通还是截止——二极管的两端电压：若是反偏则截止；若是正偏还要看P的电压是否比N的电压高Uon（导通电压）是则导通，否则截止。若是理想二级管，Uon=0V。2、二极管导通则相当于一导线（理想状态）或一个小电阻（非理想状态）；截止则相当于断开的开关。稳压管及其应用•工作在反向击穿状态，输出稳定值•与普通二极管相反，阴极：高；阳极：低•如图：稳压值5.6V，IZ：5mA~82mA，分析电路•不接RL时，IL=0，I1=IZD，RMIN=(12-5.6)/IZM=78Ω，•若选R=82Ω，I1MAX=(12-5.6)/82=78mA•保证IZD5mA，ILMAX=I1MAX-5=78-5=73mA，•RLMIN=5.6/73=75Ω，只要负载电阻RL大于75Ω,其上可获得稳定的5.6伏输出电压。半导体三极管•材料：硅、锗•分类：NPN、PNP•组成：三极：发射极e、基极b、集电极c•三区：发射区、基区、集电区•两结：发射结、集电结三极管放大原理•发射区浓度很高，基区浓度低且很簿•要求：发射结正偏，集电结反偏•发射区向基区发射电子•电子在基区中扩散与复合•电子被集电极收集输出特性曲线•截止区：ＵBE＜UONiB≈0,iC≈0•放大区：ＵBE≥UON（硅：0.5V；锗：0.3V）IC=βIB•饱和区：ＵBE＞UONIＢＳ＞IＣＳ／β截止区三极管主要参数•共发射极电流放大系数β•集电极-发射极击穿电压UCEO•集电极最大电流ICM•最大功率PCM•特征频率fT•集电极-发射极饱和压降UCES例开关电路如图所示.输入信号U1是幅值为5V频率为1KHZ的脉冲电压信号.已知β=125,三极管饱和时UBE=0.7V,UCES=0.25V.试分析电路的工作状态和输出电压的波形三极管的三种接法•共射极电路：•共基极电路:•共集极电路（射极跟随器）MOS场效应管•压控电流源器件•分类：–增强型、耗尽型–PMOS管、NMOS管•特性曲线–转移特性曲线–输出特性曲线MOS场效应管的主要参数•直流参数：–开启电压UTN，UTP–输入电阻rgs•交流参数：–跨导gm–导通电阻Rds–极间电容例NMOS管构成反相器如图示,其主要参数为UTN=2.0V，gM=1.3MA/V，rDS(ON)=875，电源电压UC=12V。输入脉冲电压源辐值为5V,频率为1KHZ。试分析电路的工作状态及输出电压UO的波形。•(1)uI=0V，uGS=uI(0)UTN(2V)•故管子截止。iD=0，uO=uC=12V•uI=5V,uGS=uI=5VUTN管子导通•uDS=UC*rDS(ON)/(rDS(ON)+R1)=0.9V.本章小结•开关特性：二极管、三极管、MOS管•三种管子的特性曲线与主要参数重点和难点•重点：–１、理解PN结的单向导电性。–２、理解三极管的电流放大作用及实现电流作用的外部工作条件。理解三极管的输入特性和输出特性以及主要参数。–３、掌握三极管输出特性曲线中的截止区、放大区和饱和区等概念。–４、熟悉对三极管开关电路工作状态的分析方法。–５、熟悉MOS场效应管的分类及符号。•难点：–１、载流子运动规律与器件外部特性的关系。只须了解，不必深究本章小结•开关特性：二极管、三极管、MOS管•三种管子的特性曲线与主要参数主教材重点例题１、P44例2.1.1２、P51例2.2.1３、P61例2.3.1作业：P631P645