第1讲半导体器件PPT讲稿.ppt

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1、第1讲半导体器件第1页，共38页，编辑于2022年，星期一10.1.1 本征半导体本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子10.1 半导体的基本知识半导体的基本知识第2页，共38页，编辑于2022年，星期一硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体本征半导体。本征半

2、导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。第3页，共38页，编辑于2022年，星期一10.1.2杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。使半导体的导电性能发生显著变化。N型半导体型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）（主要载流子为电子，电子半导体）P型半导体型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）（主要载流子为空穴，空穴半导体）第4页，共38页，编辑于2022年，星期一N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSi硅或锗硅或锗+少量磷少量磷 N型半导体型半

3、导体第5页，共38页，编辑于2022年，星期一空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动移动硅或锗硅或锗+少量硼少量硼 P型半导体型半导体第6页，共38页，编辑于2022年，星期一杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体第7页，共38页，编辑于2022年，星期一10.2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半型半导体和导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它型半导体，经过载

4、流子的扩散，在它们的交界面处就形成了们的交界面处就形成了PN结。结。10.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管第8页，共38页，编辑于2022年，星期一P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动第9页，共38页，编辑于2022年，星期一扩散的结果是使空间电荷区扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，

5、而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。第10页，共38页，编辑于2022年，星期一漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。第11页，共38页，编辑于2022年，星期一10.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都的意思都是：是：P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。P

6、N结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都的意思都是：是：P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。第12页，共38页，编辑于2022年，星期一PN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流第13页，共38页，编辑于2022年，星期一PN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小，A级级第14页，共38页，编辑于

7、2022年，星期一10.2.3 半导体二极管半导体二极管(1)、基本结构、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号符号阳极阳极阴极阴极第15页，共38页，编辑于2022年，星期一(2)、伏安特性、伏安特性UI导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗管锗管0.20.3V。反向击穿电压反向击穿电压U(BR)死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.2V。UIE+-反向漏电流反向漏电流（很小，（很小，A级）级）第16页，共38页，编辑于2022年，星期一（3）静态电阻）静态电阻Rd，动态电阻，动态电阻 rDUQIQUS+-R静态工

8、作点静态工作点Q（UQ，IQ）第17页，共38页，编辑于2022年，星期一（3）静态电阻）静态电阻Rd，动态电阻，动态电阻 rD静态电阻静态电阻：Rd=UQ/IQ （非线性）（非线性）动态电阻：动态电阻：rD=UQ/IQ在工作点在工作点Q附近，动态电阻近附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻微变等效电阻iuIQUQQ IQ UQ第18页，共38页，编辑于2022年，星期一例例1：二极管：死区电压：二极管：死区电压=0.5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管)理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0，正向压降，正向压降=0 RLuiuO

9、uiuott二极管半波整流二极管半波整流第19页，共38页，编辑于2022年，星期一例例2：二极管的应用：二极管的应用(设设RC时间常数很小）时间常数很小）RRLuiuRuotttuiuRuoC第20页，共38页，编辑于2022年，星期一10.3 稳压二极管稳压二极管IZmax稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作当稳压二极管工作在反向击穿状态下在反向击穿状态下,当工作电流当工作电流IZ在在Izmax和和 Izmin之间时之间时,其两端电压近似为其两端电压近似为常数常数正向同正向同二极管二极管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压第21

10、页，共38页，编辑于2022年，星期一例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k，输入电压，输入电压ui=12V，限流电阻，限流电阻R=200 。若。若负载电阻负载电阻变化范围为变化范围为1.5 k 4 k ，是否还能，是否还能稳压？稳压？第22页，共38页，编辑于2022年，星期一RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k)

11、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（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k ,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化,但但i iZ Z仍在仍在12mA12mA和和2mA2mA之间之间,所以稳压管仍能起稳压作用所以稳压管仍能起稳压作用第23页，共38页，编辑于2022年，星期一10.4 半导体三极管半导体三极管10.4.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电

12、极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型第24页，共38页，编辑于2022年，星期一BECNPN型三极管型三极管BECPNP型三极管型三极管三极管符号三极管符号NPNCBEPNPCBE第25页，共38页，编辑于2022年，星期一BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高第26页，共38页，编辑于2022年，星期一发射结发射结集电结集电结BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

13、_ _ _ _ _ _ _ _+第27页，共38页，编辑于2022年，星期一10.4.2 电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE1进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IB ，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。IB 第28页，共38页，编辑于2022年，星期一BECNNPEBRBEcIE从基区扩散从基区扩散来的电子漂来的电子漂移进入集电移进入集电结而被收集，结而被收集，形成形成IC。IC2ICIB要使三极管能放大电流

14、，必须使发射结正要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。偏，集电结反偏。第29页，共38页，编辑于2022年，星期一静态电流放大倍数静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数 =IC/IBIC=IB动态电流放大倍数动态电流放大倍数IB：IB+IBIC：IC+IC =IC/IB一般认为：一般认为：=，近似为一常数，近似为一常数，值范围：值范围：20100 IC=IB第30页，共38页，编辑于2022年，星期一10.4.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBUSCUSB 实验线路实验线路(共发射极接法共发射极接法)CBERC第

15、31页，共38页，编辑于2022年，星期一 IB 与与UBE的关系曲线（同二极管）的关系曲线（同二极管）（1）输入特性）输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.7V第32页，共38页，编辑于2022年，星期一（2）输出特性）输出特性(IC与与UCE的关系曲线的关系曲线)IC(mA )1234UCE(V)3691240 A60 AQQ =IC/IB=2 mA/40 A=50 =IC/IB=(3-2)mA/(60-40)A=50 =IC/IB=3 mA/60 A=50第33页，共38页，编辑

16、于2022年，星期一输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A当当UCE大于一定的数值大于一定的数值时，时，IC只与只与IB有关，有关，IC=IB,且且 IC=IB。此区域此区域称为线性放大称为线性放大区。区。此区域中此区域中UCE UBE,集电集电结正偏，结正偏，IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC。BE结正偏，结正偏，BC结正偏结正偏，即，即UCE UBE（UCE 0.3V，UBE 0.7V）(3)截止区截止区 UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=

17、ICEO 0（ICEO穿透电流，很小，穿透电流，很小，A 级）级）第35页，共38页，编辑于2022年，星期一例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区位于截止区 USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019 mA IC=IB=50 0.019=0.95 mA ICS=2 mA，Q位于饱和区位于饱和区(实际上，此时实际上，此时IC和和IB 已不是已不是 的关系）的关系）第37页，共38页，编辑于2022年，星期一三极管的技术数据：（自学）三极管的技术数据：（自学）（1）电流放大倍数）电流放大倍数（2）集）集-射间穿透电流射间穿透电流ICEO（3）集）集-射间反向击穿电压射间反向击穿电压UCEO(BR)（4）集电极最大电流）集电极最大电流ICM（5）集电极最大允许功耗）集电极最大允许功耗PCM第38页，共38页，编辑于2022年，星期一