半导体器件1PPT

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,*,*,*,小班研讨课安排,1、讨论,和本门课程有关以及同学们感兴趣的内容进行讨论，欢迎同学们献计献策，踊跃参加；,2、习题,课堂练习，作业讲评。 请大家以后每次上小班课时都带好作业本。 （个人进行简短自我介绍）,第,1,章,半导体器件,1.1 PN,结,,,1.2,半导体二极管,1.3,特殊二极管,1.4,双极型三极管,,,1.5,场效应晶体管,,半导体二极管和晶体管是常用的半导体器件。它们的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数是学习电子技术和分析电子电路的基础。,,,而,

2、PN,结又是构成各种半导体器件的基础。,,因此，本章主要知识点：,,1,）半导体的导电特性；,,2,）,PN,结的形成及其导电特性；,,3,）半导体二极管的工作原理及其特性曲线、主要参数及应用；,,4,）特殊二极管；,,5,）晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。,本章小课补充内容：,,,场效应晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数,,,,学习的重点是半导体器件的工作原理、特性曲线、主要参数及其应用。,,一、半导体二极管,,,二极管的特性：单向导电性,,,二极管：,死区电压,=0 .5V,，正向压降,,0.7V(,硅二极管,0.7V),,,,理想二极管：,死区电压,=0,，正向压降

3、,=0,二极管的直流参数：,,最大整流电流：,,管子长期运行时允许通过的最大正向平均电流,,反向击穿电压：,管子反向击穿时的电压,,反向电流：,管子未击穿时的反向电流,,,补充介绍二极管的两个交流参数。,（,1,）,.,微变电阻,r,D,i,D,u,D,I,D,U,D,Q,,,i,D,,u,D,r,D,是二极管特性曲线上工作点,Q,附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，,r,D,是对,Q,附近的微小变化区域内的电阻。,（,2,）,.,二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：,势垒电容,C,B,和,扩散电容,C,D,。,势垒电容：,势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变

4、化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是,势垒电容,。,扩散电容：,为了形成正向电流（扩散电流），注入,P,区的少子（电子）在,P,,区有浓度差，越靠近,PN,结浓度越大，即在,P,区有电子的积累。同理，在,N,区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容,C,D,。,,,,,P,+,-,N,,,(1-,9,),势垒电容,C,B,在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN,结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,,r,d,,,二极管电路分析,定性分析：,判断二极管的工作状态,导通截止

5、,,否则，正向管压降,硅,0.7V,,锗,0.3V,,,分析方法：,将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压,U,D,的正负。,若,V,阳,,>V,阴,或,U,D,为正,(,正向偏置,),，二极管导通,,若,V,阳,,

6、出输出电压,u,o,的波形。,解：,⑴,图,(a),u,i,,＞,0,，,D,,导通，,u,O,= 0,，,,,u,i,,＜,0,，,D,,截止，,u,O,=,u,i,,⑵,图,(b),u,i,,＞,0,，,D,导通，,u,O,=,u,i,,，,,,u,i,,＜,0,，,D,截止，,u,O,= 0,10V,0,ω,t,u,i,-,10V,0,ω,t,u,O,u,O,10V,0,ω,t,u,i,,R,D,,,,,,（,a,）,,,,u,O,-,+,-,+,u,i,,R,D,,,,,,（,b,）,,,,u,O,-,+,-,+,二极管的应用举例：检波,电路中,RC,构成微分电路，,,已知,u,i,的

7、波形，试画出,,输出电压,u,O,的波形。,解⑴,t,= 0,时，,u,R,为正脉冲,t,=,t,1,,时，,u,R,为负脉冲,t,=,t,2,,时，,u,R,为正脉冲,⑵,u,R,＞,0,时，,D,截止,输出,u,O,=,0,u,R,＜,0,时，,D,导通,输出,u,O,=,u,R,负脉冲,u,R,u,i,u,O,,,,R,R,L,C,,,D,+,-,+,-,+,-,t,t,t,u,i,u,R,u,O,O,O,O,t,1,t,2,二极管的应用举例：元件保护,,电工技术中的例题：,在图示电路中，开关断开前电路已处于稳态，在,t,=0,时开关,S,断开，试求断开后电压表两端电压的初始值。已知,L

8、,=1mH,，,,，电压表内阻,,，电源电压,U,=6V,。,解,,可见，换路瞬间电压表两端出现了,1200V,的高电压，会使电压表击穿，损坏电气设备。,,如何防止损坏电气设备？,开关断开前,根据换路定律,故,S,D,L,R,E,,,,,,,i,加入二极管：元件保护,课堂练习：教材P23 1.3,,1.3 所示电路中，试求下列几种情况下输出端,F,的电位,U,F,及各元件（,R,、VD,A,、VD,B,）中的电流，图中的二极管为理想元件。,,（1）U,A,=U,B,=0 V。,,（2） U,A,=3V, U,B,=0 V。,,（3） U,A,=U,B,=3V。,,二、 特殊二极管：

9、 稳压管,+,_,U,U,0,U,Z,R,稳压管的稳压作用,当,U,<,U,Z,时,,,电路不通；当,U,>,U,Z,大于时,,,稳压管击穿,此时,选,R,，使,I,Z,<,I,ZM,负载电阻,。,要求,当输入电压由正常值发生,,20%,波动时，负载电压基本不变。,,,,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,,,例：稳压管的技术参数,:,求：,电阻,R,和输入电压,u,i,的正常值。,负载电阻,。,要求,当输入电压由正常值发生,,20%,波动时，负载电压基本不变。,,,,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,,,例：稳压管的技术参数,:,解：令输入电压达

10、到上限时，流过稳压管的电流为,I,z,max,。,求：,电阻,R,和输入电压,u,i,的正常值。,,——,方程,1,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为,I,z,min,。,,——,方程,2,,,,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,,,联立方程,1,、,2,，可解得：,课堂练习：教材,P24 1.7,,,有两个稳压管,VD,Z1,和,VD,Z2,，其稳定电压分别为,5.5V,和,8.5V,，正向压降都是,0.5V,，如果要得到,0.5V,、,3V,、,6V,、,9V,和,14V,几种稳定电压，这两个稳压管（还有限流电阻）应该如何连接，画出各个电路。,,,三、双极性三

11、极管,,,输出特性三个区域的特点,:,放大区：,发射结正偏，集电结反偏。,,,I,C,=,I,B,,,且,,I,C,,=,,,,,,I,B,(2),饱和区：,发射结正偏，集电结正偏。,,,U,CE,,U,BE,,，,,,I,B,>,I,C,，,U,CES,0.3V,,(3),截止区：,,为可靠截止,，,常使发射极反偏，集电结也反偏。,,I,B,=0,，,I,C,=,I,CEO,,0,例题：如图所示，,当输入电压,分别为,和,时，,试问晶体管,处于何种工作状态？,解：,发射结反偏，晶体管截止。,当,时，,返回目录,晶体管临界饱和时的基极电流,返回目录,当,时，,晶体管处于饱和状态

12、。（其他方法？）,当,时，,晶体管处于放大状态,返回目录,练习：,,,=50,，,U,CC,,=12V,，,R,B,,=70k,，,,,,R,C,,=6k,,,,当,U,BB,,=,-2V,，,2V,，,5V,时，,,,晶体管静态工作在哪个区？,I,C,U,CE,I,B,U,CC,,R,B,U,BB,,C,B,E,,R,C,U,BE,练习：,,,=50,，,U,CC,,=12V,，,,,R,B,,=70k,，,R,C,,=6k,,,,当,U,BB,,=,-2V,，,2V,，,5V,时，晶体管静态工作在哪个区？,解：当,U,BB,,=-2V,时：,I,C,U,CE,I,B,U,CC,

13、,R,B,U,BB,,C,B,E,,R,C,U,BE,发射结反偏,晶体管工作在截止区。,,,U,BB,=2V,5V,时，发射结正偏，是放大还是饱和？,,,,=50,，,U,CC,,=12V,，,,,R,B,,=70k,，,R,C,,=6k,,,当,U,BB,,= -2V,，,2V,，,5V,时，,I,B,<,,I,BS,，,,位于放大区,。,I,C,U,CE,I,B,U,SC,,R,B,U,SB,,C,B,E,,R,C,U,BE,U,BB,,=2V,时：,I,C,最大饱和电流：,U,BB,,=5V,时,:,,=50,，,U,CC,,=12V,，,,,R,B,,=70k,，,R,C,,

14、=6k,,,当,U,BB,,= -2V,，,2V,，,5V,时，,I,C,U,CE,I,B,U,SC,,R,B,U,SB,,C,B,E,,R,C,U,BE,,其他方法？,I,BS,<,,I,B,，,,位于饱和区,。,,结型场效应管,JFET,,,(Junction type Field Effect Transistor),绝缘栅型场效应管,MOS,,(Metal-Oxide-Semiconductor),场效应管有两种,:,四、场效应晶体管(教材P18),,场效应管与双极型晶体管不同，它是一种电压控制型半导体器件，输入电阻高，温度稳定性好，抗辐射能力强，耗电省。目前已广泛应用于各种电子电路

15、中。,绝缘栅型场效应管,MOSFET,,(Metal-oxide-semiconductor),,N,沟道,P,沟道,,耗尽型,增强型,,耗尽型,增强型,MOS,绝缘栅场效应管（,N,沟道）,（,1,） 结构,,,,,,,,P,N,N,G,S,D,杂质浓度较低的,P,型基底,两个杂质浓度很高的,N,区,SiO,2,绝缘层,金属铝,N,沟道耗尽型,,,,,,,,P,N+,N+,G,S,D,,栅源极间不加电压就已存在原始,N,型导电沟道,G,S,D,S:,源极（,Source),,D:,漏极（,Drain),,G:,栅极（,Gate),,,,,,,,P,N,N,G,S,D,栅源极间加正向电压才形成

16、导电沟道,G,S,D,N,沟道增强型,,（本身无导电沟道）,N,沟道增强型,（,2,）符号,N,沟道耗尽型,G,S,D,G,S,D,,P,沟道耗尽型,,,,,,,,N,P,P,G,S,D,,G,S,D,形成原始的,P,型导电沟道,,,,,,,,N,P,P,G,S,D,G,S,D,P,沟道增强型,2,、,MOS,管的工作原理,以,N,沟道增强型为例,,,,,,,,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,,U,GS,=0,时,D,-,S,间相当于两个反接的,PN,结,,I,D,=0,对应截止区,,,,,,,,,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,,,U,GS,>0,时,,U,GS,足够

17、大时（,U,GS,>,V,GS,(th),）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的,N,型导电沟道。,感应出电子,V,GS,(th),,称为开启电压,特点：,,当,U,GS,小于,U,GS(th),时，,I,D,=0;,,当,U,GS,大于,U,GS(th),时，,I,D,随,U,GS,的增加而增加。,,即：场效应管的漏极电流受栅源极间电压的控制，所以场效应管是一种电压控制器件,。,3,、增强型,N,沟道,MOS,管的特性曲线,转移特性曲线,,,（,U,DS,为常数）,0,I,D,U,GS,V,GS(th),漏极输出特性曲线,,,（,U,GS,为常数）,I,D,,,,,U,DS,,,,0,

18、,,,,,U,GS,>0,4,、耗尽型,N,沟道,MOS,管的特性曲线,耗尽型的,MOS,管,U,GS,=0,时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,转移特性曲线,0,I,D,U,GS,V,GS(th),漏极输出特性曲线,I,D,,,,,U,DS,,,,0,,,,,,U,GS,=0,U,GS,<0,U,GS,>0,场效应管与双极性晶体管（,BJT),有何不同？,场效应管与双极性晶体管（,BJT),的比较：,1,场效应管中只有一种极性的载流子导电，故称单极性晶体管，而,BJT,中有电子和空穴两种载流子同时参与导电；,2,场效应管是电压控制元件，而,BJT,是电流控制元件；,3,场效应管的输入电阻很

19、大，而,BJT,输入电阻很小。,作业讲评,,（看完作业后进行）,P23 1.2,在如图所示的各个电路中，已知输入电压,二极管的正向压降可忽略不计，试分别画出各电路的输入电压,u,i,和输出电压,u,o,的波形。,,,,,,,P24 1.8,在一放大电路中，测得某晶体管,3,个电极的对地电位分别为,-6V,、,-3V,、,-3.2V,，试判断该晶体管是,NPN,型还是,PNP,型？锗管还是硅管？并确定,3,个电极。,分析,晶体管的类型（,NPN,型还是,PNP,型，硅管还是锗管）和管脚可根据各极电位来判断。,,NPN,型集电极电位最高，发射极电位最低，即,，,PNP,型集电极电位最低，发射极电位最高，即,，,硅管基极电位与发射极电位大约相差0.6,或,0.7V,；锗管基极电位与发射极电位大约相差,0.2,或,0.3V,。,解,设晶体管,3,个电极分别为,1,、,2,、,3,，即,V,、,3,脚为基极。因为,2,、,3,两脚的电位差为,0.2V,，可判定这是一个锗管，且,2,脚为发射极，,1,脚为集电极。由于集电极电位最低，可判定这是一个,PNP,型锗管。,