半导体器件

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第二章半导体器件第二章半导体器件2.1半导体基础知识2.2半导体二极管2.3双极型晶体管2.4晶体管放大电路2.5场效应管2.6场效应管放大电路2.1半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结一、本征半导体1.半导体导体--铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。绝缘体--惰性气体、橡胶等高价元素,其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体--硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素,它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。2.本征半导体本征半导体是一种完全纯净、结构完整的半导体晶体。在绝对零度且没有外界能力激发时,价电子受共价键束缚,晶体中不存在自由移动的电子。3.本征半导体中的结构半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。一定温度下,复合的自由电子和空穴对与本征激发的数目相等,达到动态平衡。温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。共价键由于热运动,具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴3.本征半导体中的两种载流子外加电场时,自由电子将产生逆电场方向运动,形成电子流;空穴沿电场方向运动,形成空穴流。由于电子和空穴所带电荷相反,形成的电流是相加的。但是载流子少,导电性能差。本征激发产生两种载流子,带正电的空穴和带负电的自由电子。无外加电场时,载流子作无规则运动,不能形成电流。二、杂质半导体1.P型半导体在本征半导体中掺入3价元素,就形成了P型半导体。杂质原子的空位吸收价电子,称之为受主原子。P型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子。多子的浓度约等于杂质浓度,受温度影响很小。掺杂越多,空穴浓度越高,导电性能越强。2.N型半导体在本征半导体中掺入5价元素,就形成了N型半导体。杂质原子提供电子,称之为施主原子。N型半导体中,自由电子为多子,空穴为少子。多子的浓度约等于杂质浓度,受温度影响很小。掺杂越多,自由电子浓度越高,导电性能越强。三、PN结PN结,是指一块半导体单晶上,其中一部分是P型半导体区,其余部分是N型半导体区,P型区和N型区的交界面称为冶金结面(简称结面)。1.空间电荷区的形成由于浓度差,空穴从P区向N区扩散,在P区留下带负电的受主杂质离子,电子从N区向P区扩散,在N区留下带正电的施主杂质离子,在结面两侧形成空间电荷区,也叫耗尽区,从而形成内建电场。内建电场从N区指向P区,使空穴向P区漂移,电子向N区漂移,正好阻止扩散运动的进行。漂移电流与扩散电流大小相等,反向相反,流过PN结的静电流为零,达到平衡状态。2.PN结的单向导电性PN结加正向电压导通:耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,形成扩散电流,PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止:耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电流。由于电流很小,故可近似认为其截止。3.PN结的电流方程PN结所加端电压u和流过的电流i的关系为:式中IS为反向饱和电流,q为电子电量,K为玻尔兹曼常数,T为热力学温度。将式中KT/q用UT取代,则得:)1e(TSUuIi常温下,即T=300K时,UT约等于26mV)1e(qSKTuIi4.PN结的电容效应1、势垒电容PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容Cb。2、扩散电容PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。3、结电容:dbjCCC若PN结外加电压频率高到一定程度,则失去单向导电性2.2半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性三、二极管的主要参数四、二极管的等效电路五、稳压二极管六、二极管的应用一、二极管的组成2、二极管组成将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。(a)原理性结构(b)符号小功率二极管1、常见二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管3、二极管的分类点接触型:结面积小,结电容小,故结允许的电流小,最高工作频率高。面接触型:结面积大,结电容大,故结允许的电流大,最高工作频率低。平面型:结面积可小、可大,小的工作频率高,大的结允许的电流大。二、二极管的伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。mV)26()1e(TSTUIiUu常温下由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻,在外加电压相同的情况下,二极管的正向电流小于PN结的电流。近似分析时,仍然用PN结的电流方程描述二极管的伏安特性。二、二极管的伏安特性1.单向导电性正向电流与正向电压成指数关系,使二极管开始导通的临界电压(电流达到某一测试值时的电压),称为正向导通电压,通常硅二极管为0.7V。加反向电压时,反向饱和电流IS近似为零,相当于开路。当反向电压达到一定程度时,二极管进入反向击穿状态。普通二极管极易因反向击穿而损坏。正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线2.伏安特性受温度影响T(℃)↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑,U(BR)↓T(℃)↑→正向特性左移,反向特性下移增大1倍/10℃三、二极管的主要参数•最大整流电流IF:最大正向平均电流值•反向击穿电压UBR:出现击穿现象时的反向电压值•反向电流IR:即IS•最高工作频率fM:二极管工作的上限截止频率四、二极管的等效电路(a)(b)图(a)理想二极管,导通电压为零,反向电流为零,用空心二极管符号表示,当输入电压远大于导通电压时,可以忽略二极管导通电压。图(b)正向导通电压为Uon,等效电路是理想二极管串联电压源Uon,常用于近似计算。图(c)二极管正向电压大于Uon后,电流I和电压U成线性关系,斜率为1/rD,等效电路是理想二极管串联电压源Uon和电阻rD1、折线化伏安特性曲线(c)2、微变等效电路当二极管在静态基础上有一动态信号作用时,则可将二极管等效为一个电阻,称为动态电阻,也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号DTDDdIUiur根据电流方程,Q越高,rd越小。思考:图中,二极管导通电压UD约为0.7V,分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。•如何判断二极管的工作状态?•选用二极管的什么等效电路?五、稳压二极管进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流1.伏安特性由一个PN结组成,反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变,为稳定电压。2.主要参数稳定电压UZ:规定电流下的反向击穿电压稳定电流IZ:工作在稳压状态下的最小电流最大功耗PZM=IZMUZ:超过此值,会因温度过高损毁器件,因此稳压电路中必须有限流电阻,防止电流过小不稳压、电流过大损坏器件思考:图中,已知稳压二极管的稳定电压UZ=6V,最小稳定电流IZmin=5mA,最大稳定电流IZmax=25mA,负载电阻RL=600Ω。求限流电阻R的取值范围。•判断稳压二极管是否工作在反向击穿状态?•稳压二极管需要工作在稳压区间六、二极管的应用1.整流整流就是把交流电变为脉动直流电。得用二极管的单向导电特性,可以实现整流。整流后得到的直流电再经滤波和稳压,就可以得到平稳的直流电了。一般情况下,用于整流的二极管比较多,它是将交流电源整流成为直流电流,这种二极管叫作整流二极管,它是面结合型的功率器件,因结电容大,故工作频率低。通常,IF在1A以上的二极管采用金属壳封装,以利于散热;IF在1A以下的采用全塑料封装,由于近代工艺技术不断提高,国外出现了不少较大功率的管子,也采用塑封形式。2.限幅利用二极管导通后压降很小且基本不变的特性,可以构成限幅电路,使输出电压幅度限制在某一范围以内。3.保护在电子电路中,常利用二极管来保护其他元器件免受过高压的损害。2.3双极型晶体管一、双极型晶体管基础二、双极型晶体管的结构三、双极型晶体管的放大原理四、双极型晶体管的共射输入输出特性五、双极型晶体管的主要参数一、双极型晶体管基础当PN结处于正偏时,空穴从P区注入N区,电子从N区注入P区,形成正向电流。正向电流的电荷来源是多子,所以正向电流很大。当PN结处于反偏时,电子从P区被拉向N区,空穴从N区被拉向P区,形成反向电流。反向电流的电荷来源是少子,所以反向电流很小。如果能在反偏的PN结附近提高大量的少子,就能使反向电流提高。给反偏PN结提供少子的一种方法是在它附近制作一个正偏的PN结。如果两个PN结靠的很近,则由正偏的PN结注入过来的少子还来不及复合,就被反偏PN结所收集而形成较大的反向电流。反向电流的大小取决于正偏PN结注入过来的少子多少,而后者取决于加在正偏PN结上的偏压大小。通过改变一个PN结的偏压来控制另一个PN结的电流的方法称为双极晶体管效应。二、双极型晶体管的结构与分类(a)NPN(b)PNP双极型晶体管,英文缩写BJT,简称晶体管。由两个方向相反的PN结构成的三端器件,分别为集电结、发射结,三个掺杂区域分别称为集电区、基区、发射区,引出的电极分别称为集电极、基极、发射极。由于场效应管中只有一种载流子起作用,而在晶体管中是两种载流子同时起作用,所以将场效应管称为单极型器件,将晶体管称为双极型器件。多子浓度高多子浓度很低,且很薄面积大二、双极型晶体管的结构与分类小功率管中功率管大功率管晶体管的品种极多。按使用范围大体上如下几种分法:(1)低频管、中频管、高频管(2)小功率管、中功率管、大功率管二、双极型晶体管的放大原理(集电结反偏),即(发射结正偏)放大的条件BECECBonBE0uuuUu因集电区面积大,在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区因基区薄且多子浓度低,使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区少数载流子的运动基区空穴的扩散扩散运动形成发射极电流IE,复合运动形成基极电流IB,漂移运动形成集电极电流IC。电流关系:IE=IB+ICIE-扩散运动形成的电流IB-复合运动形成的电流IC-漂移运动形成的电流CBOCEOBCBC)(1IIiiII直流电流放大系数交流电流放大系数穿透电流集电结反向电流三、双极型晶体管的共射输入输出特性1.输入特性CE)(BEBUufi一般,当UCE1V以后,输入特性几乎与UCE=1V时的特性重合,因此常用UCE≥1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性?为什么UCE增大曲线右移?为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了?2.输出特性饱和区放大区截止区BiCiB)(CECIufi对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。常量CEBCUii为什么uCE较小时iC随uCE变化很大?为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线?β是常数吗?什么是理想晶体管?什么情况下?3.晶体管的三个工作区域状态uBEuCEiC截止(发射结反偏)<Uon(集电结反偏)≥uBEICEO放大(发射结正偏)≥Uon(集电结反偏)≥uBEβiB饱和(发射结正偏)≥Uon(集电结正偏)≤uBE<βiB晶体管工作在放大状态时,输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB。注意:uCE≥uBE也就是Uc-Ue≥Ub-Ue即Uc≥Ub(Uc为集电极电位,Ub位基极电位)现已测得某电路中几只NPN型晶体管三个极的直流电位如表所示,试分别说明各管子的工作状态。晶体管T1T2T3T4基极电位/V0.71-10发射极电位/V00.3-1.70集电极电位/V50.7012思考:4.温度对晶体管特性的影响BEBBBECEO)(uiiuIT不变时,即不变时℃5.主要参数•直流参数:、、ICBO、ICEOc-e间击穿电压最大集电极电流最大集电极耗散功率,PCM=iCuCE安全工作区•交流参数:β、α、fT(使β=1的信号频率)•极限参数:ICM、PCM、U(BR)CEOECII1ECii思考:如图所示电路中,三极管均为硅管,β
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