ch4半导体二极管、三极管和场效应管

长沙理工大学计算机通信工程学院制作本章重点和考点：1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。2.三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型、管脚和管材。3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。长沙理工大学计算机通信工程学院制作1、什么是半导体4.1PN结绝缘体导电能力导体2、半导体的特点热敏性：T导电能力光敏性：光照导电能力掺杂后：导电能力下一页前一页第1-2页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作3.本征半导体纯净半导体被称为本征半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。sisi硅原子Ge锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。4.1PN结下一页前一页第1-3页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作1）本征半导体的共价键结构在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+44.1PN结因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体下一页前一页第1-4页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴T2）、本征激发当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。这种现象就称为本征激发下一页前一页第1-5页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作说明：1）由本征激发产生的自由电子——空穴对很少2）本征激发受温度的影响很大，温度每上升1度，自由电子——空穴的数目增大一倍。4.1PN结下一页前一页第1-6页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴4、两种载流子载流子：运载电流的粒子自由电子带负电荷电子流总电流两种载流子空穴带正电荷空穴流下一页前一页第1-7页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作5、复合自由电子失去能量又与共价键中的空穴结合当本征激发核复合达到动态平衡时，自由电子与空穴就维持在某一浓度。长沙理工大学计算机通信工程学院制作小结：1、半导体材料中，自由电子和空穴都是载流子3、本征半导体中同时存在两种导电现象，电子导电和空穴导电，流过外电路的电流为电子电流＋空穴电流：I=IN+IP2、在本征半导体中本征激发产生的电子——空穴对很少，因而电路中产生的电流很小，但对温度敏感。4.1PN结下一页前一页第1-9页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键掺入五价原子占据Si原子位置在室温下就可以激发成自由电子在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体。1、N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。4.1PN结1）构成下一页前一页第1-10页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作多数载流子——自由电子，主要由掺杂产生。少数载流子——空穴，由本征激发产生。++++++++++++N型半导体自由电子电子空穴对2）多子与少子4.1PN结下一页前一页第1-11页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体空穴电子空穴对2、P型半导体4.1PN结下一页前一页第1-12页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关，取决于掺杂浓度4.1PN结下一页前一页第1-13页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作1.PN结的形成－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+4.1PN结下一页前一页第1-14页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作2.PN结中的载流子运动1）扩散运动内电场E多子浓度差形成内电场多子的扩散形成空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+空间电荷区多子扩散电流耗尽层4.1PN结下一页前一页第1-15页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作2）漂移运动少子漂移电流耗尽层内电场E－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+空间电荷区4.1PN结下一页前一页第1-16页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+－+－N型半导体+++++－++－－++－+－－－－－－内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝04.1PN结下一页前一页第1-17页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作3.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场E正向电流4.1PN结下一页前一页第1-18页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IR+－－－+－－内电场++－++－E+－EW－－+－空间电荷区+－R+++IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。4.1PN结下一页前一页第1-19页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；结论：PN结具有单向导电性。4.1PN结下一页前一页第1-20页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作)1(eTSUuIiu为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10－23，q为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度，对于室温（相当T=300K），则有UT=26mV当u0uUT时1eTUuTeSUuIi当u0|u||UT|时1eTUuSIi4.PN结的电流方程4.1PN结下一页前一页第1-21页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作5.PN结的伏安特性曲线正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿4.1PN结下一页前一页第1-22页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作6.PN结的电容效应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。(1)势垒电容CB空间电荷区－－W－++－－－+R+E++PN4.1PN结下一页前一页第1-23页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作(2)扩散电容CD当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的非平衡少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。+－NPpLx浓度分布耗尽层NP区区中空穴区中电子区浓度分布nL平衡少子：PN结处于平衡时的少子。非平衡少子：外加正向电压时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子。4.1PN结下一页前一页第1-24页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作⑶PN结结电容（极间电容）CJCJ=CB+CD由于一般很小，对于低频信号呈现较大的容抗，其作用可忽略不计，所以，只有在信号频率较高时，才考虑电容的作用。4.1PN结下一页前一页第1-25页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作半导体本征半导体:本征激发杂质半导体N型半导体P型半导体PN结形成过程单向导电性小结：4.1PN结长沙理工大学计算机通信工程学院制作二极管=PN结+管壳+引线NP1、结构2、符号正极+负极-4.2半导体二极管下一页前一页第1-27页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作3、二极管的分类：1）、点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。N型锗正极引线负极引线外壳金属触丝4.2半导体二极管长沙理工大学计算机通信工程学院制作3）、平面型二极管用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。2）、面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。SiO2正极引线负极引线N型硅P型硅负极引线正极引线N型硅P型硅铝合金小球底座4.2半导体二极管下一页前一页第1-29页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作硅：0.5V锗：0.1V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压iu0击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅：0.7V锗：0.3V4.2半导体二极管下一页前一页第1-30页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR———二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。(3)反向电流IR——在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。(4)最高工作频率fM——二极管工作的上限频率4.2半导体二极管下一页前一页第1-31页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作1、理想等效电路模型ui正偏反偏2、恒压源等效电路ONUuONUuUON:二极管的导通压降。硅管0.7V，锗管0.3V。导通压降二极管的伏安特性-+iuiu04.2半导体二极管下一页前一页第1-32页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作1、理想二极管模型mA10K1V10I相对误差：0000710032.932.910硅二极管电路如图所示，若已知回路电流I测量值为9.32mA，试分别用理想模型和恒压降模型计算回路电流I，并比较误差。2、恒压降模型mA3.9K1V)7.010(I00002.010032.99.332.9解：相对误差：0.7V例1：4.2半导体二极管下一页前一页第1-33页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作例：电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。(1)若ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、恒压降模型计算电流I和输出电压uo+--+UIuREFRiuO解：（1）采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuI＝V2REFoUumA31k1V702VV4DREFi..RUUuI－＝2.7V0.7VV2DREFoUUu4.2半导体二极管下一页前一页第1-34页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，UREF=2V,分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。+--+UIuREFRiuO解：①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot4.2半导体二极管下一页前一页第1-35页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用恒压降模型分析，波形如图所示。+--+UIuREFRiuO4.2半导体二极管下一页前一页第1-36页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作1、整流已知ui＝10sinωt(V)，二极管正向导通电压可忽略不计。试画出ui与uO的波形。4.2半导体二极管uiuo＋－＋－DR下一页前一页第1-37页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作