项目七+++半导体器件.ppt

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1、,常用半导体器件,项目七,任务,1,半导体及,PN,结,任务,2,二极管,任务,3,三极管,任务,4,场效应管,目 录,任务,1,半导体及,PN,结,任务,2,二极管,任务,3,三极管,任务,4,场效应,管,任务,1,半导体概述,半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,本征半导体,纯净的半导体。如硅、锗单晶体。,载流子,自由运动的带电粒子。,共价键,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,一、本征半导体,本征激发：,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位,(,空穴,),的过程。,+4,+4,+4,+4,硅,(,锗,),的原子结构,Si,2,8,4

2、,Ge,2,8,18,4,简化,模型,+4,惯性核,硅,(,锗,),的共价键结构,价电子,自,由,电,子,(,束缚电子,),空,穴,空穴,空穴可在共,价键内移动,复 合：,自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,漂 移：,自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。,两种载流子,电子,(,自由电子,),空穴,两种载流子的运动,自由电子,(,在共价键以外,),的运动,空穴,(,在共价键以内,),的运动,半导体的导电特征,I,I,P,I,N,I,=,I,P,+,I,N,+,电子和空穴两种载流子参与导电,在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成,电子电流,I,N,。空穴顺着电场方向移

3、动，形成,空穴电流,I,P,。,结论,:,1.,本征半导体中电子空穴成对出现,且数量少；,2.,半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；,3.,本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外 界条件有关,。,本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如果有控制、有选择地掺入,微量,的有用,杂质,（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的,杂质半导体,。,二、,N,型半导体,在硅或锗的晶体中掺入五价元 素,磷,。,N,型,磷原子,自由电子,电子为,多,数载流,子,空穴为,少,数载流,子,载流子数,电子数,+5,+4,+4,+4,+4,+4,正离子,多数载流子,少数载流子,N,型半

4、导体的简化图示,P,型,硼原子,空穴,空穴,多子,电子,少子,载流子数,空穴数,三、,P,型半导体,在硅或锗的晶体中掺入三价元素,硼,。,+4,+4,+4,+4,+4,+3,P,型半导体的简化图示,多数载流子,少数载流子,负离子,6.1.2 PN,结及其单向导电性,一、,PN,结的形成,1.,载流子的浓度差引起多子的扩散,2.,复合使交界面形成空间电荷区,空间电荷区特点,:,无载流子、阻止扩散进行、利于少子的漂移。,3.,扩散和漂移达到动态平衡,扩散电流 等于漂移电流，,总电流,I,=0,。,内电场,扩散运动：,漂移运动：,由浓度差引起的载流子运动。,载流子在电场力作用下引起的运动。,二、,P

5、N,结的单向导电性,1.,外加,正向,电压,(,正向偏置,),forward bias,P,区,N,区,内电场,+,U,R,外电场,外电场使多子向,PN,结移动,中和部分离子,使空间电荷区变窄。,I,F,限流电阻,扩散运动加强形成正向电流,I,F,。,I,F,=,I,多子,I,少子,I,多子,2.,外加,反向,电压,(,反向偏置,),reverse bias,P,区,N,区,+,U,R,内电场,外电场,外电场使少子背离,PN,结移动，,空间电荷区变宽。,I,R,PN,结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大,;,反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,漂移运动加强形成反向电流,I,R,I,R,

6、=,I,少子,0,PN,结单向导电,目 录,任务,1,半导体及,PN,结,任务,2,二极管,任务,3,三极管,任务,4,场效应,管,任务,2,二极管的结构与类型,构成：,PN,结,+,引线,+,管壳,=,二极管,(Diode),符号：,常见的外形如图所示：,二极管的几种外形,箭头符号表示,PN,结正偏时电流的流向,P,区的引出线称为,阳极,，,N,区的引出线称为,阴极,。,分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,点接触型,正极,引线,触丝,N,型锗片,外壳,负极,引线,负极引线,面接触型,N,型锗,PN,结,正极引线,铝合金,小球,底座,金锑,合金,平面型,正极引线

7、,负极引线,集成电路中平面型,p,N,P,型支持衬底,二极管,的伏安特性和主要参数,O,u,D,/V,i,D,/mA,正向特性,U,th,死区,电压,i,D,=0,U,th,=,0.5 V,0.1 V,(,硅管,),(,锗管,),U,U,th,i,D,急剧上升,0,U,U,th,反向特性,U,(BR),反向击穿,U,（,BR),U,0,i,D,0.1,A(,硅,),几十,A,(,锗,),U,E,1,，,D,1,正偏导通，,D,2,仍截止，,u,o,=3.7V,。,当,u,i,为负半周时，,u,i,E,2,，二极管,D,1,、,D,2,均截止，输出电压,u,o,=u,i,；若,u,i,E,2,，

8、,D,2,正偏导通，,D,1,截止，,u,o,=,3.7V,。,3,、钳位电路,将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负荷变动影响的电路叫,钳位电路,。,这种电路可组成二极管门电路，实现逻辑运算。,4,、检波电路,检波就是将低频信号从已调制信号（高频信号）中取出的电路。,二极管电路的分析,一、理想二极管,特性,u,D,i,D,符号及,等效模型,S,S,正偏导通，,u,D,=0;,反偏截止，,i,D,=0,二、实际二极管,u,D,i,D,硅管,0.7 V,锗管,0.2 V,二极管正的向工作电压,例,:,硅二极管，,R,=2 k,，求出,V,DD,=2 V,时,I,O,和,U,O,的值。（忽略

9、二极管正的向工作电压）,U,O,V,DD,I,O,R,解：,V,DD,=,2 V,I,O,=V,DD,/,R,=2/2,=1(mA),U,O,=,V,DD,=2 V,U,O,V,DD,I,O,R,例,:,u,i,=2 sin,t,(,V),分析二极管的限幅作用,（二极管的死区电压为,0.5V,，正向工作电压,0.7V,）。,D,1,D,2,u,i,u,O,R,0.7 V,u,i,0.7 V,D,1,、,D,2,均截止,u,O,=,u,i,u,O,=0.7 V,u,i,0.7 V,D,2,导通,D,截止,u,i,0.7 V,D,1,导通,D,2,截止,u,O,=,0.7 V,O,t,u,O,/V

10、,0.7,O,t,u,i,/V,2,0.7,解：,例,:,二极管构成“门”电路，设,D,1,、,D,2,均为理想二极管，当输入电压,U,A,、,U,B,为低电压,0 V,和高电压,5 V,的不同组合时，求输出电压,U,F,的值。,0 V,正偏,导通,正偏,导通,0 V,0 V,5 V,正偏,导通,反偏,截止,0 V,5 V,0 V,反偏,截止,正偏,导通,0 V,5 V,5 V,正偏,导通,正偏,导通,5 V,F,R,3 k,W,12 V,D,1,D,2,B,A,U,A,U,B,U,F,R,3 k,W,12 V,V,DD,D,1,D,2,B,A,F,输入电压,理想二极管,输出,电压,U,A,U

11、,B,D,1,D,2,0 V,0 V,正偏,导通,正偏,导通,0 V,0 V,5 V,正偏,导通,反偏,截止,0 V,5 V,0 V,反偏,截止,正偏,导通,0 V,5 V,5 V,正偏,导通,正偏,导通,5 V,补充：半导体二极管特性的测试,一、目测判别极性,触丝,半导体片,二、用万用表检测二极管,(,1,),用指针式万用表检测,在,R,1 k,挡进行测量，,红,表笔是,(,表内电源,),负极，,黑,表笔是,(,表内电源,),正极。,测量时手不要接触引脚。,一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧。,正反向电阻相差不大为劣质管。,正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。,1k,

12、0,0,0,(,2,),用数字式万用表检测,红,表笔是,(,表内电源,),正极，,黑,表笔是,(,表内电源,),负极。,2k,20k,200k,2M,20M,200,在,挡进行测量，当,PN,结完好且正偏时，显示值为,PN,结两端的正向压降,(,V,),。反偏时，显示,。,6.1.6,特殊二极管,一、发光二极管,1.,符号和特性,工作条件：,正向偏置,一般工作电流几十,mA,，导通电压,(1,2)V,符号,2.,主要参数,电学参数：,I,FM,，,U,(BR),，,I,R,光学参数：,峰值波长,P,，,亮度,L,，,光通量,发光类型：,可见光：,红、黄、绿,显示类型：,普通,不可见光：,红外光

13、,，点阵,LED,七段,LED,每字段是一只,发光二极管,低电平驱动,数码管,1.,共阳极,a,b,c,d,e,f,g,高电平驱动,2.,共阴极,a,b,c,d,e,f,g,a,e,b,c,f,g,d,com,com,二、光电二极管,1,符号和特性,符号,特性,u,i,O,暗电流,E,=200 lx,E,=400 lx,工作条件：,反向偏置,2.,主要参数,电学参数：,暗电流，光电流，最高工作范围,光学参数：,光谱范围，灵敏度，峰值波长,三、变容二极管,工作条件：,反向偏置,特点：,是结电容随反偏电压的变化而变化,主要用在电视机、录音机、收录机的调谐电路和自动微调电路中。,四、稳压二极管,稳压

14、管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,符号,工作条件：反向击穿,I/,mA,U,Z,/,V,O,U,Z,I,Z,I,ZM,+,正向,+,反向,U,Z,I,Z,讨论,稳压管是怎么实现稳压作用的？,回顾二极管的反向击穿时特性：,当反向电压超过击穿电压时，流过管子的电流会急剧增加。,击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。,在反向击穿状态下，让流过管子的电流在一定的范围内变化，这时管子两端电压变化很小，利用这一点可以达到“稳压”的效果。,稳压二极管的主要参数,1.,稳定电压,U,Z,流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。,2.,稳定电流,

15、I,Z,越大稳压效果越好，小于,I,min,时不稳压。,3.,最大工作电流,I,ZM,P,ZM,=,U,Z,I,ZM,5.,动态电阻,r,Z,r,Z,=,U,Z,/,I,Z,越小稳压效果越好。,4.,最大耗散功率,P,ZM,学习与探讨,怎样用万用表测量二极管的好坏？怎样判断其阴极和阳极？,为什么发光二极管必须正向偏置，而光电二极管却要反向偏置？,已知两只硅稳压管的稳定电压值分别为,8V,和,7.5V,，若将它们串联使用，问能获得几组不同的稳定电压值？若并联呢？,目 录,任务,1,半导体及,PN,结,任务,2,二极管,任务,3,三极管,任务,4,场效应,管,任务,3,三极管,1,三极管的结构和分

16、类,2,电流分配与放大原理,3,三极管的伏安特性及主要参数,1,三极管的结构和分类,晶体管（,三极管,）是最重要的一种半导体器件。,部分三极管的外型,一、结构,N,型硅,B,E,C,N,型硅,P,型硅,（,a,）平面型,二氧化硅保护膜,N,型锗,E,C,B,P,P,（,b,）合金型,铟球,铟球,三层半导体材料构成,NPN,型、,PNP,型,N,N,P,发射极,E,基极,B,集电极,C,发射结,集电结,基区,发射区,集电区,e,mitter,b,ase,c,ollector,NPN,型,E,C,B,各区主要作用及结构特点：,发射区：,作用：,发射载流子,特点：,掺杂浓度高,基区：,作用：,传输载

17、流子,特点：,薄、掺杂浓度低,集电区：,作用：,接收载流子,特点：,面积大,常见三极管的类型,P,P,N,E,B,C,按材料分：,硅管、锗管,按结构分：,NPN,、,PNP,按使用频率分：,低频管、高频管,按功率分：,小功率管,1,W,E,C,B,PNP,型,二、类型,2,电流分配与放大原理,一、晶体管放大的条件,1.,内部条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,2.,外部条件,发射结正偏,集电结反偏,二、晶体管的电流分,配和放大作用,实验电路,mA,mA,I,C,E,C,I,B,I,E,R,B,E,B,C,E,B,3DG6,A,电路条件,:,E,C,E,B,发射结正偏,集电

18、结反偏,mA,mA,I,C,E,C,I,B,I,E,R,B,E,B,C,E,B,3DG6,A,1.,测量结果,I,B,/mA,0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,I,C,/mA,0.001,0.50,1.00,1.60,2.20,2.90,I,E,/mA,0.001,0.51,1.02,1.63,2.24,2.95,I,C,/,I,B,50,50,53,55,58,I,C,/,I,B,50,60,60,70,(1),符合,KCL,定律,(2),I,C,和,I,E,比,I,B,大得多,(3),I,B,很小的变化可以引起,I,C,很,大的变化。,即：,基极电流对集电极电流具有小量

19、控制大量的作用，这就是晶体管的放大作用。,2.,晶体管内部载流子的运动规律,I,CE,I,E,I,BE,I,CBO,I,B,I,C,1,、发射区向基区扩散电子的过程：,由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流,I,E,。,2,、电子在基区的扩散和复合过程：,由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。,I,B,=,I,BE,I,CBO,I,BE,I,B,+,I,CBO,I,CE,I,E,I,BE,I,CBO,I,B,I,C,3,、集电区收集从

20、发射区扩散过来的电子过程：,由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流,I,C,。,极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。,实验表明：,I,C,比,I,B,大数十至数百倍，因而,I,B,虽然很小，但对,I,C,有控制作用，,I,C,随,I,B,的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电,I,C,=,I,CE,+,I,CBO,3.,晶体管的电流分配关系,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,I,B,=,I,BN,I,CBO,I,C

21、,=,I,CN,+,I,CBO,(,直流电流放大倍数）,总结：,1.,晶体管在发射结正向偏置、集电结反向偏置的条件下具有电流放大作用。,2.,晶体管的电流放大作用，实质上是基极电流对集电极电流的控制作用。,3,三极管的伏安特性及主要参数,一、伏安特性,输入,回路,输出,回路,与二极管特性相似,R,C,E,C,i,B,I,E,R,B,+,u,BE,+,u,CE,E,B,C,E,B,i,C,+,+,+,i,B,R,B,+,u,BE,E,B,+,O,特性基本,重合,(,电流分配关系确定,),特性右移,(,因集电结开始吸引电子,),导通电压,U,BE,Si,管,:(,0.6,0.8),V,Ge,管,:

22、,(0.2,0.3),V,取,0.7 V,取,0.2 V,E,B,+,R,B,1,、输入特性,2,、输出特性,1.,调整,R,B,使基极电流为某一数值,。,2.,基极电流不变，调整,E,C,测量,集电极电流和,u,CE,电压。,输出特性曲线,50 A,40 A,30 A,10 A,I,B,=0,20 A,u,CE,/V,O,2 4 6 8,4,3,2,1,i,C,/,mA,mA,I,C,E,C,I,B,R,B,E,B,C,E,B,3DG6,A,R,C,V,+,u,CE,i,C,/,mA,u,CE,/V,50 A,40 A,30 A,20 A,10 A,I,B,=0,O,2 4 6 8,4,3,

23、2,1,放大区,截止区,饱,和,区,I,CEO,（,1,）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置。,（,2,）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置。,（,3,）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置,i,B,0,，,u,BE,0,，,u,CE,u,BE,输出特性曲线,深度饱和时：,0.3 V,(,硅管,),U,CE,为：,0.1 V,(,锗管,),1.,共发射极,电流放大系数,i,C,/,mA,u,CE,/V,50 A,40 A,30 A,20 A,10 A,I,B,=0,0 2 4 6 8,4,3,2,1,一般为几十,几百,Q,2.,极间反向饱和电流,CB,极,间反向饱和电流,I,CBO,

24、，,CE,极,间反向饱和电流,I,CEO,。,二、主要参数及使用常识,（,1,）直流电流放大系数,（,2,）交流电流放大系数,3.,极限参数,（,1,）,I,CM,集电极最大允许电流，超过时,值明显降低。,U,(,BR,),CBO,发射极开路时,C,、,B,极,间反向击穿电压。,（,2,）,P,CM,集电极最大允许功率损耗,P,C,=,i,C,u,CE,。,（,3,）,U,(,BR,),CEO,基极开路时,C,、,E,极,间反向击穿电压。,U,(,BR,),EBO,集电极极开路时,E,、,B,极,间反向击穿电压。,U,(,BR,),CBO,U,(,BR,),CEO,U,(,BR,),EBO,i

25、,C,I,CM,U,(BR)CEO,u,CE,P,CM,O,I,CEO,安,全,工,作,区,知识拓展,半导体三极管的,测试与,应用,6.3.2,半导体器件的命名方式,6.3.1,半导体三极管使用的基本知识,1,半导体三极管使用基本知识,一、外型及引脚排列,E,B,C,E,B,C,E,B,C,B,E,C,二、万用表检测晶体三极管的方法,1.,根据外观判断极性；,3.,用万用表电阻挡测量三极管的好坏，,PN,结正,偏时电阻值较小,(,几千欧以下,),，,反偏时电阻,值较大,(,几百千欧以上,),。,插入三极管挡,(,h,FE,),，测量,值或判断管型,及管脚；,指针式万用表,在,R,1 k,挡进行

26、测量。,红,表笔是,(,表内,),负极，,黑,表笔是,(,表内,),正极。,注意事项：,测量时手不要接触引脚。,1k,B,E,C,1k,B,E,C,数字万用表,注意事项：,红,表笔是,(,表内电源,),正极；,黑,表笔是,(,表内电源,),负极。,NPN,和,PNP,管分别按,EBC,排列插入不同的孔。,需要准确,测量,值时，应先进行校正。,2.,插入三极管挡,(,h,FE,),，测量,值或判断管型及管脚。,可直接用电阻挡的 挡，分别测量,判断,两个结,的,好坏。,三、晶体三极管的选用,1.,根据电路工作要求选择高、低频管。,2.,根据电路工作要求选择,P,CM,、,I,CM,、,U,(,BR

27、,),CEO,，,应保证：,P,C,P,Cm,I,CM,Cm,U,(,BR,),CEO,V,CC,3.,一般三极管的,值在,40 100,之间为好，,9013,、,9014,等低噪声、高,的管子不受此限制 。,4.,穿透电流,I,CEO,越小越好，硅管比锗管的小。,2,半导体器件的命名方式,第一部分,数字,电极数,2,二极管,3,三极管,第二部分,第三部分,字母,(,汉拼,),材料和极性,A,锗材料,N,型,B,锗材料,P,型,C,硅材料,N,型,D,硅材料,P,型,A,锗材料,PNP,B,锗材料,NPN,C,硅材料,PNP,D,硅材料,NPN,字母,(,汉拼,),器件类型,P,普通管,W,稳

28、压管,Z,整流管,K,开关管,U,光电管,X,低频小功率管,G,高频小功率管,D,低频大功率管,A,高频大功率管,第四部分,第五部分,数字,序号,字母,(,汉拼,),规格号,例如：,2CP 2AP 2CZ 2CW,3AX31 3DG12B 3DD6 3CG 3DA 3AD 3DK,常用小功率进口三极管,9011,9018,三极管放大作用的实质是什么？,有两个晶体管，一个的,200,，,I,CEO,200A,；另一个的,100,，,I,CEO,10A,，其他参数大致相同。你认为应选用哪个管子？为什么？,怎样用万用表判别三极管的管脚？,问题讨论,Go!,检验学习结果,目 录,任务,1,半导体及,P

29、N,结,任务,2,二极管,任务,3,三极管,任务,4,场效应,管,场效应管,FET,(,F,ield,E,ffect,T,ransistor,),类型：,结型,JFET,(,J,unction,F,ield,E,ffect,T,ransistor,),金属,-氧化物-半导体场效应管（简称MOSFET，即Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor),特点：,1.,单极型器件,(,一种载流子导电,),3.,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低,2.,输入电阻高,(,10,7,10,15,，,MOS,可高达,10,15,),FET

30、,符号、特性的比较,FET,符号、特性的比较,开启电压,U,GS,(,th,),(,增强型,),夹断电压,U,GS,(,off,),(,耗尽型,),指,u,DS,=,某值，使漏极电流,i,D,为某一小电流时的,u,GS,值。,U,GS,(,th,),U,GS,(,off,),2.,饱和漏极电流,I,DSS,耗尽型场效应管，当,u,GS,=0,时所对应的漏极电流。,3.,直流输入电阻,R,GS,指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻。,JFET,：,R,GS,10,7,MOSFET,：,R,GS,=10,9,10,15,I,DSS,u,GS,/V,i,D,/mA,O,场效应管的主要参数,4.,低频跨导,g,m,反映了,u,GS,对,i,D,的控制能力，,单位,S,(,西门子,),。一般为几,毫西,(,mS,),u,GS,/V,i,D,/mA,Q,P,DM,=,u,DS,i,D,，受温度限制。,5.,漏源动态电阻,r,ds,6.,最大漏极功耗,P,DM,O,谢谢！,