電子技術(shù)

1、第1章 半導(dǎo)體二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管,1.2 PN結(jié),,1.3 半導(dǎo)體二極管,1.4 穩(wěn)壓管,1.5 半導(dǎo)體三極管,1.6 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,第1章 目錄,,1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,在熱力學(xué)溫度零度和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電

2、。,把純凈的沒(méi)有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體。 它是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。,本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),第1章 1.1,1.1.1 本征半導(dǎo)體,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,,,,1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,,+4,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

3、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,自由電子,空穴,,,,,,,,,,在常溫下自由電子和空穴的形成,,,,成對(duì)出現(xiàn),成對(duì)消失,第1章 1.1,,+4,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,外電場(chǎng)方向,空穴導(dǎo)電的實(shí)質(zhì)是共價(jià)鍵中的束縛電子

4、依次填補(bǔ)空穴形成電流。故半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子。,,,,,在外電場(chǎng)作用下，電子和空穴均能參與導(dǎo)電。,,價(jià)電子填補(bǔ)空穴,,,,,第1章 1.1,,+4,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1.1.2 P半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體,1 .

5、N 型半導(dǎo)體,在硅或鍺的晶體中 摻入少量的五價(jià)元 素,如磷,則形成N型半導(dǎo)體。,,多余價(jià)電子,,,,第1章 1.1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖,在N型半導(dǎo)中,電子是多數(shù)載流子, 空穴是少數(shù)載流子。,,,,第1章 1.1,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,+4,

6、,,,,,,,+4,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,空穴,2. P型半導(dǎo)體,,,,在硅或鍺的晶體中 摻入少量的三價(jià)元 素,如硼,則形成P 型半導(dǎo)體。,+4,,,,,,,,,第1章 1.1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖,,,,第1章 1.1,,,,,,,,,,,,,,,,,,

7、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P 區(qū),N 區(qū),,,,,,,,1.2.1 PN 結(jié)的形成,,用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上,形成 P型半導(dǎo)體區(qū)域 和 N型半導(dǎo)體區(qū)域,在這兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)PN 結(jié)。,,,,,,1.2 PN 結(jié),第1章 1.2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

8、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,多子擴(kuò)散,少子漂移,內(nèi)電場(chǎng)方向,,,,空間電荷區(qū),P 區(qū),N 區(qū),在一定的條件下，多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡， 空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來(lái)。,,,,第1章 1.2,內(nèi)電場(chǎng)方向,,,,,,,,R,1.2.2 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

9、,,,,,,,,,,,,,,,P 區(qū),N 區(qū),,,,外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷,,N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷,,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流,,,,,1. 外加正向電壓,第1章 1.2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P 區(qū),N 區(qū),內(nèi)電場(chǎng)方向,,R,,,,,,,,,,,2. 外加反向電壓,外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走,

10、少數(shù)載流子越過(guò)PN結(jié)形成很小的反向電流,多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行,,,,,第1章 1.2,1.2.3 PN結(jié)電容,PN結(jié)電容,勢(shì)壘電容,擴(kuò)散電容,1. 勢(shì)壘電容,PN結(jié)中空間電荷的數(shù)量隨外加電壓變化所形成的電容稱為勢(shì)壘電容，用 Cb 來(lái)表示。勢(shì)壘電容不是常數(shù)，與PN結(jié)的面積、空間電荷區(qū)的寬度和外加電壓的大小有關(guān)。,載流子在擴(kuò)散過(guò)程中積累的電荷量隨外加電壓變化所形成的電容稱為擴(kuò)散電容，用 Cd 與來(lái)示。 PN正偏時(shí)

11、，擴(kuò)散電容較大，反偏時(shí)，擴(kuò)散電容可以忽略不計(jì)。,,,,,2. 擴(kuò)散電容,第1章 1.2,點(diǎn)接觸型二極管,1.3.1 二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào),1.3 半導(dǎo)體二極管,,,,第1章 1.3,,,,,,,,,,,,600,400,200,– 0.1,– 0.2,0,0.4,0.8,–50,–100,I / mA,U / V,,,,正向特性,反向擊穿特性,硅管的伏安特性,1.3.2 二極管的伏安特性,,,,第1章 1.3,1.3

12、.3 二極管的主要參數(shù),1. 最大整流電流IOM,2. 反向工作峰值電壓URM,3. 反向峰值電流IRM,例1：下圖中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB為鍺管，求輸出端Y的電位并說(shuō)明二極管的作用。,解： DA優(yōu)先導(dǎo)通，則,VY=3–0.3=2.7V,DA導(dǎo)通后, DB因反偏而截止,起隔離作用, DA起鉗位作用,將Y端的電位鉗制在+2.7V。,,,,二極管的應(yīng)用范圍很廣,它可用與整流、檢波、限幅、元件保

13、護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。,第1章 1.3,,,,,,,D,E3V,R,,,,,ui,uo,uR,uD,例2：下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，ui = 6 sin? t V, E= 3V,試畫出 uo波形 。,,,,,? t,? t,,,,,,,ui / V,uo /V,6,0,0,,?,2?,,,,第1章 1.3,,,? t,,6,0,,?,2?,例3：雙向限幅電路,,,? t,0,,,,,,,,,,,,,,,D,

14、E3V,R,,,,,,,,,,,D,E3V,第1章 1.3,ui,uo,uR,uD,ui / V,uo /V,1.4 穩(wěn)壓管,,,IF,UF,0,伏安特性,,,,穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體二極管。,第1章 1.4,,,,,,,,0,,,,,,穩(wěn)壓管的主要參數(shù),2. 最小穩(wěn)定電流 Imin,3. 最大穩(wěn)定電流 IZmax,4. 動(dòng)態(tài)電阻 RZ,,,,,,,,?IZ,?UZ,5. 電壓溫度系數(shù) ?VZT,

15、6. 最大允許耗散功率PM,,,,第1章 1.4,IF,UF,Imin,IZmax,,,,,N型硅,N+,P型硅,1.5.1 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu),（a） 平面型,1. 5 半導(dǎo)體三極管,,,,第1章 1.5,,,,,,,,,,,1. NPN 型三極管,集電區(qū),集電結(jié),基區(qū),發(fā)射結(jié),發(fā)射區(qū),,,,,,,,,N,N,集電極C,基極B,發(fā)射極E,三極管的結(jié)構(gòu) 分類和符號(hào),,P,,,,,,第1章 1.5,,,,,,,集電

16、區(qū),集電結(jié),基區(qū),發(fā)射結(jié),發(fā)射區(qū),,,,,,,,,,,C,B,E,N,集電極C,發(fā)射極E,基極B,,,,N,,,,,,,,P,P,N,,,,,,,2. PNP型三極管,第1章 1.5,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,EC,RC,,IC,,UCE,C,E,B,,,UBE,共發(fā)射極接法放大電路,1.5.2 三極管的電流控制作用,,三極管具有電流控制作用的外部條件 :,（1）發(fā)射結(jié)正向偏置；,（2）集電結(jié)反向偏

17、置。,對(duì)于NPN型三極管應(yīng)滿足: UBE > 0UBC VB > VE,對(duì)于PNP型三極管應(yīng)滿足: UEB > 0UCB < 0即 VC < VB < VE,,公共端,,,,第1章 1.5,EB,RB,IB,,,,,,,,,,,,,,,,,,IC,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N,P,N,三極管的電

18、流控制原理,,,,第1章 1.5,VCC,RC,VBB,RB,由于基區(qū)很薄,摻雜濃度又很小,電子在基區(qū)擴(kuò)散的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合的數(shù)量。所以：,IC>> IB,同樣有: ? IC>> ? IB,所以說(shuō)三極管具有電流控制作用,也稱之為電流放大作用。,,,,UCE ≥ 1V,,1. 三極管的輸入特性,1.5.3 三極管的特性曲線,第1章 1.5,,,,IB =40µA,IB =60&

19、#181;A,,,,,,,IB = 20µA,,,,2. 三極管的輸出特性,第1章 1.5,,,,,,,IC / mA,UCE /V,0,三極管輸出特性上的三個(gè)工作區(qū),IB= 0 µA,20µA,40 µA,,,,,,,,,,60 µA,80 µA,,,,第1章 1.5,1.5.4 三極管的主要參數(shù),1. 電流放大系數(shù),(1) 直流電流放大系數(shù),(

20、2) 交流電流放大系數(shù),2. 穿透電流 ICEO,3. 集電極最大允許電流 ICM,4. 集--射反相擊穿電壓 U(BR)CEO,5. 集電極最大允許耗散功率 PCM,,,,第1章 1.5,,,,,,60µA,,,,0,,,,20µA,,,,1.5,2.3,在輸出特性上求,? , ?,,設(shè)UCE=6V, IB由40µA加為60µA 。,,,,第1章 1.5,

21、IC / mA,UCE /V,IB =40µA,6,,,,,,,0,IB= 0 µA,20µA,40 µA,,,,,,,60 µA,80 µA,由三極管的極限參數(shù)確定安全工作區(qū),,,,,,,,,,第1章 1.5,IC / mA,UCE /V,ICEO,結(jié)構(gòu)示意圖,1.6.1 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,1.6 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,,,,1. 結(jié)構(gòu)和符號(hào),第1章

22、 1.6,結(jié)構(gòu)示意圖,,,耗盡層,,,,,,,,,,,,,,,,S,G,D,,,,UDS,,ID = 0,,,D與S之間是兩個(gè)PN結(jié)反向串聯(lián)，無(wú)論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。,2. 工作原理,(1) UGS =0,,,,第1章 1.6,,,,,,,,,,,P型硅襯底,N,+,+,,,,,,,,,B,S,G,D,,,。,,,,,耗盡層,,,,ID = 0,(2) 0 < UGS < UG

23、S(th),,由柵極指向襯底方向的電場(chǎng)使空穴向下移動(dòng),電子向上移 動(dòng),在P 型硅襯底的 上表面形成耗盡層。 仍然沒(méi)有漏極電流。,,,,,UGS,,,,N+,N+,第1章 1.6,UDS,,,,,,,,,,,,P型硅襯底,N,+,+,,,,,,,,,B,S,G,D,,,。,,,,,耗盡層,,,,,柵極下P型半導(dǎo)體表面形成N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)D、S加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流ID 。,(3) UGS >

24、UGS(th),,,,,,N+,N+,第1章 1.6,UGS,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4,3,2,1,0,,,,,,5,10,15,,,,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,,,ID /mA,,,,,,,,,,,,,,,UDS =10V,增強(qiáng)型 NMOS 管的特性曲線,0,1,2,3,,,,2,4,6,UGS / V,3. 特性曲線,UGs(th),輸出特性,轉(zhuǎn)移特性,,,,UDS / V,第1章 1.

25、6,ID /mA,結(jié)構(gòu)示意圖,1.6.2 N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,,,,,,,,,,P型硅襯底,源極S,漏極D,柵極G,,,,,,,襯底引線B,,,,,,,,,,耗盡層,,1. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理,N+,N+,,SiO2,,,,,,制造時(shí),在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子。,第1章 1.6,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4,3,2,1,0,,,,,,4,8,12,,,,UGS =1V,–2V,–3V,,,,

26、,,,,,,,,,,,,,輸出特性,轉(zhuǎn)移特性,耗盡型NMOS管的特性曲線,1,2,3,0V,–1,,,,,,,0,1,2,–1,–2,–3,UGS / V,2. 特性曲線,,,,,?ID,?UGS,UGs(off),,,,UDS / V,UDS =10V,第1章 1.6,ID /mA,ID /mA,,,,,,,,,,,N型硅襯底,N,+,+,,,,,,,,,B,S,G,D,,,。,,,,,耗盡層,,,,,,,PMOS管結(jié)構(gòu)示意圖

27、,,P溝道,1.6.3 P溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（PMOS）,,,PMOS管與NMOS管互為對(duì)偶關(guān)系，使用時(shí)UGS 、UDS的極性也與NMOS管相反。,,,,P+,P+,第1章 1.6,UGS,UDS,ID,1. P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,開啟電壓UGS(th)為負(fù)值，UGS< UGS(th) 時(shí)導(dǎo)通。,2. P溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,夾斷電壓UGS(off)為正值， UGS < UGS(off)時(shí)導(dǎo)通。,

28、,,,第1章 1.6,在UDS =0時(shí)，柵源電壓與柵極電流的比值，其值很高。,1.6.4 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù),,,,1. 開啟電壓UGS(th),指在一定的UDS下，開始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電 壓。它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，NMOS為正，PMOS為負(fù)。,2. 夾斷電壓 UGS(off),指在一定的UDS下，使漏極電流近似等于零時(shí)所需的柵源電壓。是耗盡型MOS管的參數(shù)，NMOS管是負(fù)值，PM