电工电子半导体器件PPT演示课件

.,1,第5章 半导体器件,5.2 半导体二极管,5.3 硅稳压二极管,5.4 半导体三极管,5.5 绝缘栅型场效应管,5.1 半导体的基础知识,5.6 电力半导体器件,.,2,在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。它是共价键结构。,本征半导体的共价键结构,5.1.1 本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,5.1 半导体的基础知识,.,3,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,.,4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。,在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。,价电子填补空穴,.,5,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,5.1.2 杂质半导体,1 . N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元 素,如磷，则形成N型半导体。,多余价电子,.,6,虽然在半导体中掺入杂质的数量极微，但对半导体的导电性能却有很大的影响。例如，在一立方厘米硅晶体中约有5.11022个硅原子， 室温下本征激发所产生的电子，空穴对约为 1.43 1010 对。 如果掺入十亿分之一的磷，即在一立方厘米硅晶体中掺入,5.1 1022 10 9 = 5.1 1013,个磷原子，就可以提供 5.11013个自由电子，与原来由本征激发所产生的的自由电子的数量相比，增加了3566倍，与原来由本征激发所产生的两种载流子的总数相比，增加了1783倍，因而导电能力大大增强。,另一方面，由于自由电子的增多，增加了空穴与自由电子复合的机会，原来由本征激发产生的少量空穴又进一步减少，所以，在掺入五价元素的杂质半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,.,7,N 型半导体结构示意图,在N型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。,此图中只画出了掺入的五价元素形成的正离子、多数载流子 和少数载流子。未画出硅原子。,.,8,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,2. P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素，如硼，则形成P 型半导体。,+4,.,9,P 型半导体结构示意图,P 型半导体结构示意图,此图中只画出了掺入的三价元素形成的负离子、多数载流子 和少数载流子。亦未画出硅原子。,.,10,P 区,N 区,5.1.3 PN 结及其单向导电性,1. PN 结的形成,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。,.,11,多子扩散,少子漂移,内电场方向,空间电荷区,P 区,N 区,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,.,12,内电场方向,R,2. PN 结的单向导电性,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,多子扩散运动增强，形成较大的正向电流,(1) 外加正向电压,.,13,P 区,N 区,内电场方向,R,(2)外加反向电压,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,.,14,1、PN结加正向电压：PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。,相当于开关闭合,PN结的单向导电性：,2、PN结加反向电压：PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。,相当于开关打开,.,15,正极引线,含三价元素的金属触丝,N型锗,支架,外壳,负极引线,点接触型二极管,5.2.1 二极管的结构和符号,5.2 半导体二极管,PN结,.,16,5.2.2 二极管的伏安特性,二极管和PN结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V,锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6V0.7V,锗管约为0.20.3V。,60,40,20, 0.02, 0.04,0,0.4,0.8,25,50,I / mA,U / V,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,.,17,在二极管上加反向电压时,反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压URBR,5.2.2 二极管的伏安特性,.,18,二极管的近似伏安特性和理想伏安特性,(a)当电源电压与二极管导通时的正向电压降相差不多时，正向电压降不可忽略，可采用近似伏安特性,(b)当电源电压远大于二极管导通时的正向电压降时，则可将二极管看成理想二极管，可采用理想伏安特性,.,19,对于理想二极管,正向特性：二极管加正向电压,.,20,对于理想二极管,反 向特性：二极管加反向电压,.,21,5.2.3 二极管的主要参数,最大整流电流IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,最高反向工作电压UDRM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,反向电流IR 它是指二极管加上给定反向偏置电压时的反向电流值。 IR越小，二极管的单向导电性越好。,.,22,二极管的应用范围很广,它可用作钳位、限幅、整流、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,例1：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解： DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后, DB因反偏而截止,起隔离作用, DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。,5.2.4 二极管的主要应用,.,23,解: (1) VA= VB= VC= 3V,VY= 3.3V.,二极管与门电路,A,B,C,DA,DB,DC,VY=3.3V,Y,DA、DB、DC都导通,例2：下图中，DA 、DB和DC均为锗管，求下列两种情况下输出端Y的电位并说明二极管的作用。(1)VA= VB= VC= 3V; (2) VA= 0V, VB= VC= 3V.,.,24,二极管与门电路,A,B,C,DA,DB,DC,(2) VA= 0V, VB= VC= 3V 则 DA抢先导通,VY= 0.3V,VY=0.3V,Y,DB、DC截止,DA导通后，DB和DC因反偏而截止， 起隔离作用； DA起钳位作用，将Y端的电位钳制在+0.3V。,例2：下图中，DA 、DB和DC均为锗管，求下列两种情况下输出端Y的电位并说明二极管的作用。(1)VA= VB= VC= 3V; (2) VA= 0V, VB= VC= 3V.,解:,.,25,例1：下图是二极管单向限幅电路，D为理想二极管，ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形 。, t, t,ui / V,uo/V,6,0,0,2,解：（1）当ui 3V时，D正向偏置，D导通。 uo = E = 3V,uR / V,.,26, t,ui / V,6,0,2, t,uo/V,0,例2：下图是二极管双向限幅电路，D为理想二极管， ui = 6 sin t V, E1= E2= 3V, 试画出 uo波形 。,(2)当 3V ui 3V时，D1导通，D2截止。 uo = E1 = 3V,(3)当 ui 0UBC VB VE,公共端,三极管的工作状态有放大、饱和及截止三种。,1、放大状态,.,57,Ic,Rc,RB,UBB,N,P,N,UCC,三极管的电流控制原理,.,58,三极管处于放大状态时，内部载流子的运动过程是：发射区发射载流子形成 IE，其中很少部分在基区被复合而形成 IB，绝大部分被集电区收集而形成 IC。三者的关系是： IE = IB + IC,三者的大小取决于UBE的大小, UBE增加，发射区发射的载流子增多，IE、 IB 和 IC 都相应增加。,.,59,IC IB,同样有: IC IB,所以说三极管具有电流放大作用,也称之为电流控制作用。,由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：,直流（或静态）电流放大系数,交流（或动态）电流放大系数,.,60,晶体管处于放大状态的特征是:,(a) IB 的微小变化会引起 IC 的较大变化;,(b) IC = IB， IC 是由 和 IB 决定的;,(c) UCC UCE 0 ， UCE = UCC RC IC,在模拟电路中，晶体管主要工作在放大状态，起放大作用。,.,61,三极管处于饱和状态的外部条件 :,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结正向偏置。,对于NPN型三极管应满足: UBE 0UBC 0,2、饱和状态,.,62,晶体管处于饱和状态的特征是:,(a) IB 增加时， IC 基本不变;,(c) UCE = 0,(d) 晶体管相当于短路。,.,63,三极管处于截止状态的外部条件 :,（1）发射结反向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足: UBE 0UBC 0,3、截止状态,.,64,晶体管处于截止状态的特征是:,(a) IB = 0 ;,(c) UCE = UCC ;,(d) 晶体管相当于开路。,(b) IC = 0 ;,在数字电路中，晶体管交替工作于截止和饱和两种状态，起开关作用。,.,65,N,N,基极B,发射极E,P,N,N,P,N,N,P,发射结：正向偏置,集电结：反向偏置,1、放大状态,2、饱和状态,3、截止状态,正向偏置,正向偏置,反向偏置,反向偏置,IE = IB + IC,IC = IB,IB = 0,IC = 0,UCE = 0,集电极C,C,C,B,B,E,E,.,66,UCE 1V,1. 三极管的输入特性,5.4.3 三极管的特性曲线,.,67,IB =40A,IB =60A,IB = 20A,2. 三极管的输出特性,.,68,Ic / mA,UCE /V,0,三极管输出特性上的三个工作区,IB = 0 A,20A,40 A,60 A,80 A,.,69,5.4.4 三极管的主要参数,1. 电流放大系数,(1) 直流电流放大系数,(2) 交流电流放大系数,2. 穿透电流 ICEO,3. 集电极最大允许电流 ICM,4. 反向击穿电压 BU (BR)CEO,5. 集电极最大允许耗散功率 PCM,.,70,Ic / mA,UCE /V,0,IB = 0 A,20A,40 A,60 A,80 A,由三极管的极限参数确定安全工作区,ICM,ICEO,集电极最大允许耗散功率 PCM,.,71,60A,0,20A,1.5,2.3,在输出特性上求, , ,设UCE=6V, IB由40A加为60A 。,IC / mA,UCE /V,IB =40A,6,.,72,三极管的微变等效电路,iC = ib,rbe 称为晶体管的输入电阻，可 用下式来估算：(P21),.,73,E,B,C,ic,rbe,ib,+uce,+ube,晶体管的微变等效电路,晶体管的微变等效电路,.,74,（1）三极管的微变等效电路,在三极管的输入特性曲线上，将工作点Q附近的工作段近似地看成直线，当UCE为常数时，UBE与IB之比,称为三极管的输入电阻，在小信号的条件下，rbe是一常数，由它确定ube和ib之间的关系。因此，晶体管的输入电路可用rbe等效代替。,低频小功率晶体管输入电阻的常用下式估算 (P21),rbe是对交流而言的一个动态电阻。,.,75,三极管输出特性曲线的线性工作区是一组近似等距离的平行直线，当UCE为常数时，IC与IB之比,即为三极管的电流放大系数，在小信号的条件下，是一常数，由它确定ic受ib的控制关系。因此，三极管的输出电路可用一受控电流源ic= ib等效代替。,.,76,三极管的输出特性曲线不完全与横轴平行，当IB为常数时，UCE与IC之比,称为三极管的输出电阻，在小信号的条件下，rce也是一常数，在等效电路中与 ib并联，由于rce的阻值很高，可以将其看成开路。,.,77,由以上分析可得出晶体管的微变等效电路,晶体管的微变等效电路,.,78,结构示意图,5.5.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管,5.5 绝缘栅场效应管,1. 结构和符号,.,79,结构示意图,耗尽层,S,G,D,UDS,ID = 0,D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。,2. 工作原理,(1) UGS =0,.,80,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,UDS,耗尽层,ID = 0,(2) 0 UGS UGs(th),UGS,N+,N+,.,82,ID /mA,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,ID /mA,UDS =10V,增强型 NMOS 管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,3. 特性曲线,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,.,83,结构示意图,8.6.2 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管,P型硅衬底,源极S,漏极D,栅极G,衬底引线B,耗尽层,1. 结构特点和工作原理,N+,N+,SiO2,制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。,第一章 1.6,.,84,ID /mA,4,3,2,1,0,4,8,12,UGS =1V,2V,3V,ID /mA,输出特性,转移特性,耗尽型NMOS管的特性曲线,1,2,3,0V,1,0,1,2,1,2,3,UGS / V,2. 特性曲线,ID,UGS,UGs(off),第一章 1.6,UDS / V,UDS =10V,.,85,N型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,UDS,耗尽层,ID,.UGS,PMOS管结构示意图,P沟道,8.6.3 P沟道绝缘栅场效应管（PMOS）,PMOS管与NMOS管互为对偶关系，使用时UGS 、UDS的极性也与NMOS管相反。,P+,P+,第一章 1.6,.,86,1. P沟道增强型绝缘栅场效应管,开启电压UGS(th)为负值，UGS UGS(th) 时导通。,2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应管,夹断电压UGs(off)为正值，UGS UGs(off)时导通。,第一章 1.6,.,87,在UDS =0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。,8.6.4 绝缘栅场效应管的主要参数,1. 开启电压UGS(th),指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。,2. 夹断电压 UGS(off),指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值，PMOS管是正值。,3. 直流输入电阻 RGS（DC）,4. 低频跨导 gm,UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个栅源电压的微变量之比称为跨导,即,第一章 1.6,.,88,另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限参数，使用时不可超过。,它表明栅源电压对漏极电流控制的能力。,第一章 1.6,.,89,第1次作业： 1.1 1.2 1.3 1.6,第1章作业,第2次作业： 1.5 1.10 1.11 2.2,.,90,第1次作业： 1