第一章 半导体器件的特性.ppt
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1、第一章第一章半导体器件的半导体器件的特性特性1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.2 PN结结1.3 二极管二极管1.4 双极型晶体管(双极型晶体管(BJT)1.5 场效应管(场效应管(FET)主要内容及要求主要内容及要求基础,必须掌握:基本概念,原理,特征曲线、参数,应用等。了解原理,掌握特征曲线、参数。半导体材料:物质根据其导电能力(电阻率)的不同,可划分导体、绝缘体和半导体。导 体:109/cm 半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间。典型的元素半导体有硅Si和锗Ge,此外,还有化合物半导体砷化镓GaAs等。1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的原子结构和简化模型半导体的原
2、子结构和简化模型元素半导体硅和锗共同的特点:原子最外层的电子(价电子)数均为4。1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性图1.1.1 硅和锗的原子结构和简化模型1.1.1本征半导体的导电特性本征半导体本征半导体:纯净的且具有完整晶体结构的半导体。载流子:载流子:物资内部运载电荷的粒子。本征激发: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。空穴:空穴:共价键中的空位。复合: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。动态平衡:动态平衡:当温度T一定时,单位时间内产生的自由电子空穴对数目与单位时间内因复合而消失掉的自由
3、电子空穴对数目相等,称为载流子的动态平衡。1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性金刚石结构1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性空穴自由电子图1.1.2 硅单晶共价键结构图1.1.3 本征激发产生电子空穴对半导体中的两种载流子:自由电子,空穴。两种载流子导电的差异:自由电子在晶格中自由运动空穴运动即价电子填补空穴的运动,始终在原子的共价键间运动。结论: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,并与温度有关。1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.1.2杂质半导体的导电特性1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性+
4、5+4+4+4+4+4电子为多数载流子电子为多数载流子空穴为少数载流子空穴为少数载流子载流子数载流子数 电子数电子数一、一、N 型半导体型半导体图1.1.4 N型半导体正离子正离子磷原子磷原子自由电子自由电子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性+3+4+4+4+4+4电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数二、二、P 型半导体型半导体空穴空穴 多子多子图1.1.5 P型半导体硼原子硼原子空穴空穴负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性小结本讲主要介绍了下列半导体的基本概念:本征半导体 本征激
5、发、空穴、载流子 杂质半导体 P型半导体和N型半导体 受主杂质、施主杂质、多子、少子1.2.1 PN结的形成1.2 PN结结图1.2.1 载流子的扩散运动图1.2.2 PN结的形成过程: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;3.空间电荷区阻止多子扩散,引起少子漂移;4.扩散和漂移达到动态平衡。1.2 PN结结1.2.2 PN结的单向导电性一、外加正向电压 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,扩散运动加强,形成了一个流入P区的正向电流 IF。二、外加反向电压 外电场使少子背离 PN 结移动,空间电荷区变宽。漂移运动加强形成反向电流 IR。1.2
6、 PN结结 单向导电性:v正偏导通,呈小电阻,电流较大;v反偏截止,电阻很大,电流近似为零。1.2 PN结结小结本讲主要介绍了以下基本内容:PN结形成:扩散、复合、空间电荷区(耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场)、漂移、动态平衡 PN结的单向导电性:正偏导通、反偏截止1.2 PN结结1.3.1 二极管的结构及符号构成:构成:PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管符号:符号:分类:分类:按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型1.3二极管二极管1.3 二极管二极管点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外
7、壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金金锑锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底1.3.2 二极管的伏安特性一、PN结的伏安特性1.3 二极管二极管:温度的电压当量:玻耳兹曼常数:热力学温度:电子的电量室温时:正向特性反向特性反向击穿击穿电压反向饱和电流二、实际二极管的伏安特性1.3 二极管二极管:门限电压(开启电压)实际二极管伏安特性和PN结伏安特性略有差别三、理想二极管的特性若二极管的正向压降远小于和它串联的电压,反向电流远小于和它并联的电流,可
8、用理想二极管来等效二极管。理想二极管的门限电压和正向压降均为零,反偏时反向电流也为零。1.3 二极管二极管二极管的理想等效模型1.3.3 二极管的主要参数1、最大正向电流IFM:二极管长期工作运行通过的最大正向平均电流。2、反向峰值电压VRM:为保证管子安全工作,通常取为击穿电压的一半。3、反向直流电流IR(sat):是管子未击穿时反向直流电流的数值。4、最高工作频率fM:是二极管具有单向导电性的最高工作频率。1.3 二极管二极管1.3.4 稳压二极管一、稳压二极管的稳压特性具有陡峭的反向击穿特性,工作在反向击穿状态。1.3 二极管二极管符号和特性曲线VZ:反向击穿电压,即稳压管的稳定电压。r
9、Z=VZ/IZ:稳压管的动态电阻,越小稳压性能越好。二、稳压管的参数1、稳定电压VZ2、稳定电流IZ:3、动态电阻rZ:4、最大稳定电流IZmax和最小稳定电流IZmin1.3 二极管二极管1.3.5 二极管电路一、限幅电路1.3 二极管二极管1.3 二极管二极管二、稳压电路当负载RL不变而输入电压增加时,当输入电压不变而负载RL减小时,稳压管控制电流,使总电流改变或保持不变,并通过限流电阻产生调压作用,使输出电压稳定。稳压条件:例1.3.1题:v当负载最小时,输出电流最大。这时稳压管的电流也应大于其最小工作电流,可求得最大限流电阻。v当负载最大时,输出电流最小,这时稳压管的电流也应小于其最大
10、工作电流,可求得最小限流电阻。1.3 二极管二极管1.3 二极管二极管小 结 本讲主要介绍了以下基本内容:半导体二极管的构成和类型:点接触型、面接触型、平面型;硅管、锗管。半导体二极管的特性:与PN结基本相同。半导体二极管的参数 稳压二极管 二极管电路1.4.1晶体管的结构及符号结构:三个区:发射区、基区和集电区 三个极:发射极、基极和集电极两个结:发射结、集电结1.4 双极型晶体管双极型晶体管晶体管结构示意图晶体管符号生成类型:合金型和平面型要实现电流放大作用,要求:发射区掺杂浓度高;基区薄且掺杂浓度低;集电结面积大。1.4 双极型晶体管双极型晶体管1.4.2晶体管内载流子的传输过程晶体管正
11、常工作的外部条件:发射结外加正向电压VBE,集电结加上较大的反向偏压VCB。1.4 双极型晶体管双极型晶体管管内载流子的传输过程传输过程可分三步:1)发射区向基区注入载流子,形成发射结电流IE;2)电子在基区扩散和与基区空穴复合,形成基极电流IB ;3)集电结收集电子,形成集电极电流IC 1.4.3 晶体管直流电流传输方程一、共基极直流电流传输方程共基极电流放大系数 :1.4 双极型晶体管双极型晶体管共基极直流电流传输方程:三个极之间电流关系:1.4 双极型晶体管双极型晶体管二、共发射极直流电流传输方程定义共发射极直流放大系数:共发射极直流电流传输方程:穿透电流:三、共集电极直流电流传输方程1
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