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 和沒有外界激發(fā)時(shí), 本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。,把純凈的沒有結(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,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,+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,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,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。,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),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的電位并說明二極管的作用。,解： da優(yōu)先導(dǎo)通，則,uy=30.3=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)字電路中作為開關(guān)元件。,第5章 5.2,4. 最大反向電流irm,d,e 3v,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,e 3v,r,d,e 3v,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,uf,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 。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=12v r=200 izmax=12ma izmin=2ma rl=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（ma）, 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,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的較大變化 ic= ib，ic是和ib決定的 0uceucc, 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,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=0 ic= 0 uce=ucc 晶體管相當(dāng)于開路,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 三極管的特性曲線,第5章 5.4,ib =40a,ib =60a,ib = 20a,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 a,20a,40 a,60 a,80 a,第5章 5.4,5.4.4 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 5.4,60a,0,20a,1.5,2.3,在輸出特性上求, , ,設(shè)uce=6v, ib由40a加為60a 。,第5章 5.4,ic / ma,uce /v,ib =40a,6,0,ib= 0 a,20a,40 a,60 a,80 a,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)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,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。,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mo