礦大電工第14章半導(dǎo)體二極管、三極管和場效應(yīng)管(1)

1、純凈的沒有結(jié)構(gòu)缺純凈的沒有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶陷的半導(dǎo)體單晶 ：本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅原子硅原子價電子價電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+41 . N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體在硅或鍺的晶體中中 摻入少量的摻入少量的五價元五價元 素素,如磷如磷,則形成則形成N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體。體。 磷原子磷原子+4+5多余價電子多余價電子自由電子自由電子正離子正離子 N 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖少數(shù)載流子少數(shù)載流子多數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子正離子在在N型半導(dǎo)中型半導(dǎo)中,電子是多數(shù)載流子電子是多數(shù)載流子, 空穴

2、是少數(shù)載流子?？昭ㄊ巧贁?shù)載流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴2. P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中在硅或鍺的晶體中 摻入少量的三價元摻入少量的三價元 素素,如硼如硼,則形成則形成P 型型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。 +4+4硼原子硼原子填補空位填補空位+3負(fù)離子負(fù)離子 P 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖電子是少數(shù)載流子電子是少數(shù)載流子負(fù)離子負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子空穴是多數(shù)載流子P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū) 用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上, ,形成形成 P型半導(dǎo)體區(qū)域型半導(dǎo)體區(qū)域 和和 N型半導(dǎo)體區(qū)域型半導(dǎo)體區(qū)域, ,在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個在這兩個區(qū)域

3、的交界處就形成了一個PN 結(jié)。結(jié)。N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P區(qū)擴散并與空穴復(fù)合區(qū)擴散并與空穴復(fù)合P區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向N區(qū)擴散并與電子復(fù)合區(qū)擴散并與電子復(fù)合空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向多子擴散多子擴散少子漂移少子漂移內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)在一定的條件下，多子擴散與少子漂移達到動態(tài)平衡，在一定的條件下，多子擴散與少子漂移達到動態(tài)平衡， 空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來?？臻g電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來。 內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向E外電場方向外電場方向RIP 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)外電場驅(qū)使外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進入空間區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷電荷區(qū)抵消一

4、部分負(fù)空間電荷N區(qū)電子進入空間電荷區(qū)區(qū)電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄空間電荷區(qū)變窄 擴散運動增強，形擴散運動增強，形成較大的正向電流成較大的正向電流14. 外加正向電壓外加正向電壓P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向ER空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬 外電場方向外電場方向IR2. 2. 外加反向電壓外加反向電壓外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走少數(shù)載流子越過少數(shù)載流子越過PN結(jié)結(jié)形成很小的反向電流形成很小的反向電流 多數(shù)載流子的擴散運動難于進行多數(shù)載流子的擴散運動難于進行PN結(jié)：結(jié)：單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ?/p>

5、性P+、N-：導(dǎo)通導(dǎo)通P-、N+：截止截止二極管的符號二極管的符號陽極陽極,A負(fù)極負(fù)極正極正極陰極陰極,KD，VD作用：作用：整流、檢波、限幅整流、檢波、限幅 穩(wěn)壓、保護穩(wěn)壓、保護特性：特性：單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?正極引線正極引線觸絲觸絲N型鍺型鍺支架支架外殼外殼負(fù)極引線負(fù)極引線點接觸型二極管點接觸型二極管二極管的符號二極管的符號陽極陽極負(fù)極負(fù)極 正極引線正極引線二氧化硅保護層二氧化硅保護層P型區(qū)型區(qū)負(fù)極引線負(fù)極引線 面接觸型二極管面接觸型二極管N型硅型硅PN結(jié)結(jié)PN結(jié)結(jié)正極正極陰極陰極D，VD600400200 0.1 0.200.4 0.850100I / mAU / V正向特性正向特性反

6、向擊反向擊穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性反向特性反向特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓I / mAU / V0.40.8 40 802460.10.2鍺管的伏安特性鍺管的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性014. 最大整流電流最大整流電流IOM2. 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓URM3. 反向峰值電流反向峰值電流IRM 例例1：下圖中，已知：下圖中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB為鍺管，為鍺管，求輸出端求輸出端Y的電位并說明二極管的作用。的電位并說明二極管的作用。 解：解： DA優(yōu)先導(dǎo)通，則優(yōu)先導(dǎo)通，則VY=30.3=2.7VDA導(dǎo)通后導(dǎo)通后, DB因反偏而截止因反偏而截止

7、,起隔離作用起隔離作用, DA起鉗位作用起鉗位作用,將將Y端的電位鉗制在端的電位鉗制在+2.7V。 DA 12VYABDBR 二極管的應(yīng)用范圍很廣二極管的應(yīng)用范圍很廣,它可用于整流、檢波、限幅、它可用于整流、檢波、限幅、鉗位、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。鉗位、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。 DE3VRuiuouRuD 例例2：下圖是二極管限幅電路，：下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，為理想二極管， ui =6 sin t V, E= 3V,試畫出試畫出 uo波形波形 。 t t ui / V Vuo /V63300 2 2 6 t 630 2 例例3：雙向限幅電路雙向限幅

8、電路 t 033DE3VRDE3VuiuouRuD ui / Vuo /VIFUF0正向特性正向特性反向激穿區(qū)反向激穿區(qū)UZIminIZmaxDZ負(fù)極負(fù)極伏安特性伏安特性 穩(wěn)壓管是一種特殊的穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體二極管。面接觸型半導(dǎo)體二極管。 0 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)14. 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ 2. 最小穩(wěn)定電流最小穩(wěn)定電流 Imin 3. 最大穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流 IZmax4. 動態(tài)電阻動態(tài)電阻 RZ IZ UZRZ = IZ UZ5. 電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) VZT6. 最大允許耗散功率最大允許耗散功率PMIFUFIminIZmax三個區(qū)（三個區(qū)（N、P、N或或

9、P、N、P） 引出三個極引出三個極兩個兩個PN結(jié)結(jié)電流控制開關(guān)電流控制開關(guān)ECB符號符號N型硅型硅二氧化硅保護膜二氧化硅保護膜BECN+P型硅型硅（a） 平面型平面型N型鍺型鍺ECB銦銦球球銦銦球球PP+（b）合金型）合金型14. NPN 型三極管型三極管集電區(qū)集電區(qū)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)NN集電極集電極C基極基極B發(fā)射極發(fā)射極E 三極管的結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu) 分類和符號分類和符號PECB符號符號集電區(qū)集電區(qū)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)CBEN集電極集電極C發(fā)射極發(fā)射極E基極基極BNPPN2. PNP型三極管型三極管 三極管結(jié)構(gòu)的特點：三極管結(jié)構(gòu)的特點：集電區(qū)

10、集電區(qū)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)NN集電極集電極C基極基極B發(fā)射極發(fā)射極EP14.14.基區(qū)很薄、摻雜濃度低基區(qū)很薄、摻雜濃度低2.2.發(fā)射區(qū)摻雜濃度大發(fā)射區(qū)摻雜濃度大3.3.集電區(qū)體積大、摻集電區(qū)體積大、摻 雜濃度低雜濃度低ECRCIC UCECEBUBE共發(fā)射極接法放大電路共發(fā)射極接法放大電路三極管具有電流控三極管具有電流控制作用的外部條件制作用的外部條件 : （1）發(fā)射結(jié)正向偏置；）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。）集電結(jié)反向偏置。對于對于NPN型三極管應(yīng)滿足型三極管應(yīng)滿足: UBE 0UBC VB VE對于對于PNP型三極管應(yīng)滿足型三極管應(yīng)滿足: UEB 0UC

11、B 0即即 VC VB IB同樣有同樣有: IC IB IC = IB所以說三極管具有電流控制作用所以說三極管具有電流控制作用,也稱之為電流放大作用。也稱之為電流放大作用。IE =IC +IBIC= IBIBUBE0UCE 1V死區(qū)電壓死區(qū)電壓14. 三極管的輸入特性三極管的輸入特性IB = f (UBE )UC E = 常數(shù)常數(shù)IB =40AIB =60AUCE 0IC IB增加增加IB 減小減小IB = 20AIB = 常數(shù)常數(shù)IC = f (UCE )2. 三極管的輸出特性三極管的輸出特性IC / mAUCE /V0放放大大區(qū)區(qū)三極管輸出特性上的三個工作區(qū)三極管輸出特性上的三個工作區(qū) I

12、B= 0 A20A40 A截止區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)60 A80 A14. 電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) = IC IB 2. 穿透電流穿透電流 ICEO 3. 集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM 4. 集集-射反相擊穿電壓射反相擊穿電壓 U(BR)CEO 5. 集電極最大允許耗散功率集電極最大允許耗散功率 PCM極限參數(shù)極限參數(shù)使用時使用時不允許超過不允許超過! = IC IB60A0 20A14.52.3在輸出特性上求在輸出特性上求 , = IC IB =14.5mA40A= 37.5 =IC IB =2.314.5(mA)60 40(A)= 40設(shè)設(shè)UCE=6V, IB由由40A加為

13、加為60A 。IC / mAUCE /VIB =40A60IB= 0 A20A40 A60 A80 A由三極管的極限參數(shù)確定安全工作區(qū)由三極管的極限參數(shù)確定安全工作區(qū)安安全全工工作作區(qū)區(qū)過過損損耗耗區(qū)區(qū)PCM曲線曲線第第14章章14.5IC / mAUCE /VICEOICMU(BR)CEOSiO2結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖P型硅襯底型硅襯底源極源極S柵極柵極G漏極漏極D 襯底引線襯底引線BN+N+DBSG符號符號14. 結(jié)構(gòu)和符號結(jié)構(gòu)和符號4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增強型增強型 NMOS 管的特性曲線管的特性曲線 0123飽和區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū)

14、可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)246UGS / V3. 特性曲線特性曲線UGs(th)輸出特性輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 UDS / V第第14章章14.5ID /mA結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖P型硅襯底型硅襯底源極源極S漏極漏極D 柵極柵極G襯底引線襯底引線B耗盡層耗盡層14. 結(jié)構(gòu)特點和工作原理結(jié)構(gòu)特點和工作原理N+N+正離子正離子N N型溝道型溝道SiO2DBSG符號符號制造時制造時,在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子。在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子。第第14章章14.5432104812UGS =1V2V3V輸出特性輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性耗盡型耗盡型NMOS管的特性曲線管的特性曲線 1230V10

15、12123 UGS / V2. 特性曲線特性曲線 ID UGSUGs(off) UDS / VUDS =10V第第14章章14.5ID /mAID /mAN型硅襯底型硅襯底N+BSGD。耗盡層耗盡層PMOS管結(jié)構(gòu)示意圖管結(jié)構(gòu)示意圖P溝道溝道PMOS管與管與NMOS管管互為對偶關(guān)系，使用互為對偶關(guān)系，使用時時UGS 、UDS的極性的極性也與也與NMOS管相反。管相反。 P+P+第第14章章14.5UGSUDSID14.14. P溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管開啟電壓開啟電壓UGS(th)為為負(fù)值，負(fù)值，UGS UGS(th) 時導(dǎo)通。時導(dǎo)通。 SGDB符號符號 ID /mAUG

16、S / V0UGS(th) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性2.2. P溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管DBSG符號符號 ID /mAUGS /V0UGS(off) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性夾斷電壓夾斷電壓UGS(off)為為正值，正值， UGS UGS(off)時導(dǎo)通。時導(dǎo)通。 第第14章章14.5在在UDS =0時，柵源電壓與柵極電流的比值，其值很高。時，柵源電壓與柵極電流的比值，其值很高。14. 開啟電壓開啟電壓UGS(th) 指在一定的指在一定的UDS下，開始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電下，開始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電 壓。它是增強型壓。它是增強型MOS管的參數(shù)，管的參數(shù)，NMOS為正，為正，PM

17、OS為負(fù)。為負(fù)。2. 夾斷電壓夾斷電壓 UGS(off) 指在一定的指在一定的UDS下，使漏極電流近似等于零時所需的下，使漏極電流近似等于零時所需的柵源電壓。是耗盡型柵源電壓。是耗盡型MOS管的參數(shù)，管的參數(shù)，NMOS管是負(fù)值，管是負(fù)值，PMOS管是正值。管是正值。3. 直流輸入電阻直流輸入電阻 RGS（DC）4. 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo) gm UDS為常數(shù)時，漏極電流的微變量與引起這個變化的為常數(shù)時，漏極電流的微變量與引起這個變化的柵源電壓的微變量之比稱為跨導(dǎo)柵源電壓的微變量之比稱為跨導(dǎo),即即第第14章章14.5 另外，漏源極間的擊穿電壓另外，漏源極間的擊穿電壓U(BR)DS、柵源極間的擊、柵源極間的擊穿電壓穿電壓U(BR)GS以及