半導(dǎo)體器件三極管教學(xué)課件ppt

1、第5章 半導(dǎo)體器件,5.2 半導(dǎo)體二極管,,5.3 穩(wěn)壓管,5.4 雙極型晶體管,5.5 場(chǎng)效應(yīng)晶體管,5.6 集成電路與晶閘管,第5章 目錄,,5.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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。,把純凈的

2、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5章 5.1,5.1.1 本征半導(dǎo)體,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,,,,5.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí),,+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5章 5.1,,+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)鍵中的束縛電子依次填補(bǔ)空穴

4、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5章 5.1,,+4,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.1.2 N半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體,1.N型半導(dǎo)體,在硅或鍺的

5、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5章 5.1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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5章 5.1,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,

6、,,,,+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5章 5.1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖,,,,第5章 5.1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

7、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P 區(qū),N 區(qū),,,,,,,,5.1.3 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)。,,,,,,第5章 5.1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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5章 5.1,內(nèi)電場(chǎng)方向,,,,,,,,R,5.1.4 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P 區(qū),N 區(qū),,,,

9、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5章 5.1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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,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)

10、散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行,,,,,第5章 5.1,點(diǎn)接觸型二極管,5.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào),5.2 半導(dǎo)體二極管,,,,第5章 5.2,,,,,,,,,,,,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,5.2.2 二極管的伏安特性,,,,第5章 5.2,UD=0.5v,UD=0.2v,5.2.3 二極管的主

11、要參數(shù),1. 額定正向平均電流IF,2. 正向電壓降UF,3. 最高反向工作電壓UR,例1：下圖中，已知UA=3V， UB=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,UY=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,它可用于整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)

12、元件。,第5章 5.2,4. 最大反向電流IRm,,,,,,,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5章 5.2,,,? t,,6,0,,?,2?,例3：雙向限幅電路,,,? t,0,,,,,,,,,,,,,,,D,

13、E3V,R,,,,,,,,,,,D,E3V,第5章 5.2,ui,uo,uR,uD,ui / V,uo /V,5.3 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5章 5.3,,,,,,,,0,,,,,,穩(wěn)壓管的主要參數(shù),2. 最小穩(wěn)定電流 IZmin,3. 最大穩(wěn)定電流 IZmax,4. 動(dòng)態(tài)電阻 RZ,,,,,,,,?IZ,?UZ,,,,第5章 5.3,IF,U

14、F,Imin,IZmax,(4) 穩(wěn)壓二極管,當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當(dāng)工作電流IZ在Izmax和 Izmin之間時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù),正向同二極管,穩(wěn)定電流,穩(wěn)定電壓,,,,,RL,ui,uO,R,,,,,,,DZ,,,i,,iz,,,iL,UZ,,例：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用,穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k?，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200 ?

15、 。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5 k? ~4 k? ，是否還能穩(wěn)壓？,UZW=10V ui=12VR=200 ?Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k? (1.5 k? ~4 k?),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA）RL=1.5 k? , iL=10/1.5=6.7（m

16、A）, iZ =10-6.7=3.3（mA）RL=4 k? , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）,三極管學(xué)習(xí)內(nèi)容：,5.4 半導(dǎo)體三極管,三極管兩種類型 ： NPN PNP型三級(jí)管結(jié)構(gòu),三極管三種工作狀態(tài)：放大 飽和 截止,三極管曲線特性： 輸入特性 輸出特性,三極管主要參數(shù)： 電流放大系數(shù) 穿透電流 集電極最大允許電流 最大允許耗散功率,,5.4 半導(dǎo)體三

17、極管,第5章 5.4,,,,,,,,,,,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,5.4.1 三極管的結(jié)構(gòu) 分類和符號(hào),,P,,,,,,,,,,,,集電區(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5章 5.4,,,,,,,,,

18、,,,,,,,,,IC,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N,P,N,三極管的電流控制原理,,,,第5章 5.4,UCC,RC,VBB,RB,三極管工作狀態(tài)(一) 放大狀態(tài),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,UCC,RC,,IC,,UCE,C,E,B,,,UBE,共發(fā)射極接法放大電路,,,公共端,,,,EB,RB,IB,,IE,結(jié)論：放大狀態(tài)特點(diǎn),IB的微小變化引起IC

19、的較大變化Ic= ?IB，Ic是?和IB決定的 0<UCE<Ucc, UCE=Ucc-RCIC 晶體管相當(dāng)于通路,電流關(guān)系 IE=IB+IC,三極管工作狀態(tài)(二) 飽和狀態(tài),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,UCC,RC,,IC,,UCE,C,E,B,,,UBE,共發(fā)射極接法放大電路,,,,,,EB,RB,IB,,IE,結(jié)論：飽和狀態(tài)特點(diǎn),電流關(guān)系,IB,,RB,UBE

20、,,,IC,,UCE=Ucc-RCIC,,,0,三極管工作狀態(tài)(三) 截止?fàn)顟B(tài),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,UCC,RC,,IC,,UCE,C,E,B,,,UBE,共發(fā)射極接法放大電路,,,EB,RB,IB,,IE,,,,結(jié)論：放大狀態(tài)特點(diǎn),IB=0Ic= 0 UCE=Ucc晶體管相當(dāng)于開(kāi)路,模擬電路中晶體管主要工作在放大狀態(tài),,,,UCE ≥ 1V,1. 三極管的輸入特性,5.4.3 三

21、極管的特性曲線,第5章 5.4,,,,IB =40µA,IB =60µA,,,,,,,IB = 20µA,,,,2. 三極管的輸出特性,第5章 5.4,,,,,,,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5章 5.4,5.4.

22、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),(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5章 5.4,,,,,,60µA,,,,0,,,,20µA,,,,1.5,2.3,在輸出特性上求,? , ?,,設(shè)UCE=6

23、V, IB由40µA加為60µA 。,,,,第5章 5.4,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5章 5.4,IC / mA,UCE /V,ICEO,結(jié)構(gòu)示意圖,5.5.1 N溝道增強(qiáng)型

24、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,5.5 場(chǎng)效應(yīng)管,,,,1. 結(jié)構(gòu)和符號(hào),第5章 5.5,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5章 5.5,,,,,,,,,,,P型硅襯底,N,+,+,,,,,,,,,B,S,G,D,,,。,,,,,耗盡

25、層,,,,ID = 0,(2) 0 < UGS < UGS(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5章 5.5,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)

26、D、S加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流ID 。,(3) UGS >UGS(th),,,,,,N+,N+,第5章 5.5,UGS,結(jié)構(gòu)示意圖,5.5.2 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5章 5.5,,,,,,,,,

27、,,N型硅襯底,N,+,+,,,,,,,,,B,S,G,D,,,。,,,,,耗盡層,,,,,,,PMOS管結(jié)構(gòu)示意圖,,P溝道,5.5.3 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5章 5.5,UGS,UDS,ID,1. P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,開(kāi)啟電壓UGS(th)為負(fù)值，UGS< UGS(th) 時(shí)導(dǎo)通。,

28、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。,,,,第5章 5.5,在UDS =0時(shí)，柵源電壓與柵極電流的比值，其值很高。,5.5.4 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù),,,,1. 開(kāi)啟電壓UGS(th),指在一定的UDS下，開(kāi)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(o

29、ff),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，PMOS管是正值。,3. 直流輸入電阻 RGS（DC）,4. 低頻跨導(dǎo) gm,UDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的微變量與引起這個(gè)變化的柵源電壓的微變量之比稱為跨導(dǎo),即,第5章 5.5,另外，漏源極間的擊穿電壓U(BR)DS、柵源極間的擊穿電壓U(BR)GS以及漏極最大耗散功率PDM是管子的極限參數(shù)，使用時(shí)不可超過(guò)。