章半導(dǎo)體器件PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路第二部分 電子技術(shù)基礎(chǔ)第1頁(yè)/共66頁(yè) 第1章 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路1.1 1.2 1.3 1.4 第2頁(yè)/共66頁(yè)半導(dǎo)體材料的特性，半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管的工作原理及應(yīng)用知識(shí)電子器件認(rèn)知規(guī)律和第3頁(yè)/共66頁(yè)1.1.1 半導(dǎo)體：指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge），硒和許多金屬氧化物、硫化物都是半導(dǎo)體。圖2.1.1 物體的導(dǎo)電性：（1）導(dǎo)體（2）絕緣體（3）半導(dǎo)體cmcm 1510142.硅硅 cmcm 1010絕絕 cmcm 410導(dǎo)導(dǎo) 第4頁(yè)/共66頁(yè)（1）熱敏性大部分半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度的升高而增強(qiáng)，有

2、些對(duì)溫度反應(yīng)特別敏感。熱敏元件半導(dǎo)體材料的三個(gè)特點(diǎn)：（2）光敏性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照強(qiáng)度的變化而變化。例如硫化鎘薄膜，無(wú)光照時(shí)，電阻是幾十兆歐姆，是絕緣體；受光照時(shí)，電阻只有幾十千歐姆。光敏元件（3）摻雜性如果在純凈半導(dǎo)體中摻入微量其它元素（稱(chēng)為摻雜），半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著摻雜能力的變化而發(fā)生顯著變化。基本半導(dǎo)體器件第5頁(yè)/共66頁(yè)1、本征半導(dǎo)體完全純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。圖2.1.1 根據(jù)半導(dǎo)體的摻雜情況，半導(dǎo)體材料又可以分為兩類(lèi)： 典型的半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge），它們都是四價(jià)元素，每個(gè)原子的外層有四個(gè)價(jià)電子，原子結(jié)構(gòu)如圖2.1.1所示。四價(jià)元素第6頁(yè)/共66頁(yè)SiSiSiS

3、i共價(jià)鍵共價(jià)鍵：在晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，相鄰兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子成為共用電子，形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。價(jià)電子電子、空穴：在常溫下由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，少量?jī)r(jià)電子掙脫原子核的束縛成為自由電子，同時(shí)在原位留下的空位稱(chēng)空穴。這種現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)結(jié)論：在本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)產(chǎn)生，當(dāng)溫度和光照增加時(shí)，其數(shù)目增加。自由電子空穴第7頁(yè)/共66頁(yè)SiSiSiSi 在外電場(chǎng)作用下，自由電子定向運(yùn)動(dòng)，價(jià)電子填補(bǔ)空穴。 自由電子定向運(yùn)動(dòng)價(jià)電子填補(bǔ)空穴在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著自由電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。這就是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)。自由電子（帶負(fù)電）和空穴都被稱(chēng)為載流子。第8頁(yè)/共66頁(yè)2、雜質(zhì)半導(dǎo)體電子型（N型）半導(dǎo)體空穴型

4、（P型）半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩大類(lèi)SiSiSiSiSiP在本征 硅或鍺中摻入五價(jià)元素，如磷、砷、銻，則自由電子數(shù)目大大增加，形成多數(shù)載流子?？昭樯贁?shù)載流子。在外電場(chǎng)作用下，自由電子導(dǎo)電占主導(dǎo)地位，故稱(chēng)電子型半導(dǎo)體。簡(jiǎn)稱(chēng)空穴自由電子自由電子數(shù)增加第9頁(yè)/共66頁(yè)SiSiSiSi在本征 硅或鍺中摻入三價(jià)元素，如硼、鋁、銦，則空穴數(shù)目大大增加，形成多數(shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子。在外電場(chǎng)作用下，空穴導(dǎo)電占主導(dǎo)地位，故稱(chēng)空穴型半導(dǎo)體。簡(jiǎn)稱(chēng)空穴自由電子SiB空穴數(shù)增加第10頁(yè)/共66頁(yè)1.1.2 PN 結(jié)的形成1、 PN 結(jié)形成圖2.1.2用專(zhuān)門(mén)的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上，形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)

5、體，在兩種半導(dǎo)體的交界面附近，由于多數(shù)載流子濃度的差別，引起多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。圖2.1.2 P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散N區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散第11頁(yè)/共66頁(yè)1、PN 結(jié)形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在交界面附近形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，這就是PN結(jié)。圖2.1.2 P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散N區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散阻擋層阻擋多子擴(kuò)散耗盡區(qū)PN結(jié)第12頁(yè)/共66頁(yè)1.1.3、PN 結(jié)的導(dǎo)電性在PN結(jié)兩端加上不同極性的外電壓， PN結(jié)呈不同的導(dǎo)電性。圖2.1.3 PN結(jié)加正向電壓：P區(qū)接電源正極， N區(qū)接電源負(fù)極，如圖2.1.3（a）。外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)，空間電荷區(qū)變窄，多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。PN結(jié)的正向電流由多數(shù)載流子形成，比較大，P

6、N結(jié)呈現(xiàn)較小的正向電阻，稱(chēng)PN結(jié)正向?qū)ā５?3頁(yè)/共66頁(yè)圖2.1.3 PN結(jié)加反向電壓：P區(qū)接電源負(fù)極， N區(qū)接電源正極，如圖2.1.3（b）。外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，空間電荷區(qū)變寬，阻止多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，只有少數(shù)載流子越過(guò)空間電荷區(qū)形成反向電流。PN結(jié)的反向電流由少數(shù)載流子形成，反向電流非常小，PN結(jié)呈現(xiàn)極高的反向電阻，稱(chēng)PN結(jié)反向截止。第14頁(yè)/共66頁(yè)1.1.4 半導(dǎo)體二極管第15頁(yè)/共66頁(yè) 二極管的基本結(jié)構(gòu)由一個(gè)PN結(jié)加電極引線與外殼制成。D圖2.1.4 N陽(yáng)極或正極陰極或負(fù)極陽(yáng)極或正極陰極或負(fù)極D第16頁(yè)/共66頁(yè)P(yáng)N結(jié)接觸面的大小，二極管可分點(diǎn)接觸型與面接觸型。PN結(jié)接觸面小PN結(jié)接觸

7、面小，不能通過(guò)大電流但其結(jié)電容小，常用于高頻檢波及小電流整流，使用時(shí)不能承受較高的反向電壓和大電流。PN結(jié)接觸面積大，通過(guò)的正向電流比點(diǎn)接觸型大，常用作整流管，但結(jié)電容大，適用于低頻電路。PN結(jié)接觸面大第17頁(yè)/共66頁(yè)金屬觸絲陽(yáng)極引線N 型鍺片陰極引線外殼( a ) 點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽(yáng)極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線( b ) 面接觸型陰極陽(yáng)極( d ) 符號(hào)D第18頁(yè)/共66頁(yè)1.2.2 二極管的伏安特性圖2.1.5 第19頁(yè)/共66頁(yè)mAVDERU+WI1.2.2 二極管的伏安特性正向特性說(shuō)明：OA正向死區(qū)AB正向?qū)▍^(qū)硅0.5V鍺0.2V硅0.6V - 0.7V鍺0.2V -

8、0.3VA0B第20頁(yè)/共66頁(yè)EmAVDRU+WI1.2.2 二極管的伏安特性反向特性說(shuō)明：OC反向截止區(qū)CD反向擊穿區(qū)0硅幾微安鍺幾十微安CD反向飽和電流第21頁(yè)/共66頁(yè)1.2.3 主要參數(shù)D第22頁(yè)/共66頁(yè)1.2.4 二極管應(yīng)用舉例圖2.1.6 1.2.1題圖【】 第23頁(yè)/共66頁(yè)先假設(shè)二極管不導(dǎo)通判斷加在二極管兩端的正向電壓是否大于導(dǎo)通電壓？二極管導(dǎo)通，二極管兩端電壓等于導(dǎo)通電壓；二極管截止，這條電路中無(wú)電流。是1.2.4 二極管應(yīng)用舉例【】分析方法：【】否圖2.1.6 1.2.1題圖第24頁(yè)/共66頁(yè)（a）圖中，假設(shè)D不導(dǎo)通，以b為參考點(diǎn)，二極管的正極電位為12V，負(fù)極電位為6

9、V，正向電壓為【】分析方法：【】所以二極管截止， Uab6V，流過(guò)電阻的電流為零。12 （6）= 6V0.6V圖2.1.6 1.2.1題圖第25頁(yè)/共66頁(yè)二極管的正向電壓為6V0.6V，所以二極管導(dǎo)通， 導(dǎo)通電壓為0.6V ，Uab120.6V11.4V，流過(guò)電阻的電流【】分析方法：【】（b）圖中，假設(shè)D不導(dǎo)通，以b為參考點(diǎn)，則二極管的正極電位為6V ，負(fù)極電位為12V ，正向電壓為6 （12）= 6V 0.6V I =(120.66)3000=0.0018A負(fù)號(hào)表示電流方向從b流向a。圖2.1.6 1.2.1題圖第26頁(yè)/共66頁(yè)【】 如圖2.1.7所示，已知E5V，輸入信號(hào)為正弦波ui1

10、0sint V，二極管的正向?qū)妷簽?.6V，畫(huà)出輸出電壓信號(hào)的波形圖。 這個(gè)電路仍是分析二極管的導(dǎo)通與否，圖中二極管的正極接信號(hào)電壓ui ，二極管的負(fù)極接電源E的正極，兩個(gè)量進(jìn)行比較，確定二極管的導(dǎo)通與否。1.2.4 二極管應(yīng)用舉例分析方法：【】圖2.1.7 1.2.2題圖第27頁(yè)/共66頁(yè) 當(dāng)ui E0.6V（導(dǎo)通電壓）時(shí)，二極管截止，此時(shí)二極管無(wú)電流通過(guò)，uoui【】分析方法：【】 當(dāng)ui E0.6V（導(dǎo)通電壓）時(shí)，二極管導(dǎo)通，uo E0.6V5.6V。圖2.1.8 虛線為輸入電壓波形。ui E0.6Vui E0.6V第28頁(yè)/共66頁(yè)【】 在圖2.1.9所示電路中，已知輸入端A的電位

11、VA3.6V，輸入端B的電位VB0.3V，電阻R10 k ，電源E9V，二極管的導(dǎo)通電壓為0.2V，求輸出端F的電位和流過(guò)R的電流I。 1.2.4 二極管應(yīng)用舉例圖2.1.9 1.2.3題圖分析方法：【】先假設(shè)兩個(gè)二極管均不導(dǎo)通，根據(jù)已知條件，UDA3.6(9)=12.6V，故DA導(dǎo)通，VF3.60.2=3.4V。再看DB， UDB0.33.4=3.1V，故DB截止。先討論DB這個(gè)結(jié)論也成立。先假設(shè)兩個(gè)二極管均不導(dǎo)通，根據(jù)已知條件，UDB0.3(9)=8.7V，故DB導(dǎo)通，VF0.30.2=0.1V。再看DA， UDA3.60.1=3.5V，故DA也導(dǎo)通。DA DB都導(dǎo)通嗎？第29頁(yè)/共66頁(yè)

12、流過(guò)R中的電流為mA241000 10943 I 當(dāng)數(shù)個(gè)二極管的負(fù)極（正極）并聯(lián)在一點(diǎn)，而加在這些二極管的正極（負(fù)極）電位各不相同，且都高于負(fù)極（低于正極）電位時(shí)，正極最高（負(fù)極最低）的二極管導(dǎo)通?！尽糠治龇椒ǎ骸尽康?0頁(yè)/共66頁(yè)1.2.5 特殊二極管 穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。專(zhuān)為在電路中穩(wěn)定電壓設(shè)計(jì)，故稱(chēng)為穩(wěn)壓管。圖2.1.10 穩(wěn)壓管符號(hào)穩(wěn)壓管的圖形符號(hào)及伏安特性圖2.1.11 穩(wěn)壓管 伏安特性曲線DZ特點(diǎn)： 1、正向特性曲線同二極管；反向擊穿區(qū)2、反向擊穿電壓較低，反向特性曲線 比較陡；UZ為穩(wěn)壓值。3、正常的工作區(qū)域?yàn)榉聪驌舸﹨^(qū)，且可逆。第31頁(yè)/共66頁(yè)穩(wěn)壓管主

13、要參數(shù)1.2.5 特殊二極管ZZZIUr DZZU穩(wěn)壓管常用參數(shù)見(jiàn)表2.1.1第32頁(yè)/共66頁(yè)1.2.5 特殊二極管圖2.1.12 光電二極管光電二極管的圖形、等效電路及伏安特性是一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，其反向電流隨光照強(qiáng)度的變化而上升。光電二極管的反向電流與光照度成正比。1、光電二極管的管殼上有一個(gè)玻璃窗口以便接受光照；2、可用于光測(cè)量。3、制成光電池。第33頁(yè)/共66頁(yè)1.2.5 特殊二極管圖2.1.12 發(fā)光二極管發(fā)光二極管的圖形符號(hào)發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，即當(dāng)管子通以電流后將發(fā)出光來(lái)。常作為顯示器件，工作電流在幾個(gè)到幾十毫安。當(dāng)管子加正向電壓時(shí)，在正向電流激發(fā)下，

14、管子發(fā)光。發(fā)光的顏色有紅，黃，綠，藍(lán)，紫等。第34頁(yè)/共66頁(yè)1.3.1 基本結(jié)構(gòu)第35頁(yè)/共66頁(yè)1.3.1 基本結(jié)構(gòu)圖2.1.14 三極管CBE第36頁(yè)/共66頁(yè)第37頁(yè)/共66頁(yè)1.3.1 基本結(jié)構(gòu)圖2.1.14 三極管電 極 名 稱(chēng)、 符 號(hào) 相同 ； 內(nèi) 部結(jié) 構(gòu) 相 同。PPN第38頁(yè)/共66頁(yè)1.3.2 電流分配與放大作用 圖2.1.15 第39頁(yè)/共66頁(yè)1.3.2 電流分配與放大作用 CBEIII BCEIII 338060302537040501BCBC.II.II 40020800040060501302BC .II第40頁(yè)/共66頁(yè)BECNNPEBRBECIEIBEIC

15、EICBO第41頁(yè)/共66頁(yè)ICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIIICEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略第42頁(yè)/共66頁(yè)1.3.3 半導(dǎo)體三極管的特性曲線圖2.1.16 第43頁(yè)/共66頁(yè)1.3.3 半導(dǎo)體三極管的特性曲線圖2.1.17 第44頁(yè)/共66頁(yè)1.3.3 半導(dǎo)體三極管的特性曲線圖2.1.18 第45頁(yè)/共66頁(yè)1.3.3 半導(dǎo)體三極管的特性曲線圖2.1.18 BICI第46頁(yè)/共66頁(yè)NNPBEC2.三極管放大的外部條件基區(qū)很?。ū阌诎l(fā)射區(qū)多子穿越基區(qū)）集電區(qū)面積大（便于收集多子）發(fā)

16、射區(qū)摻雜濃度最高第47頁(yè)/共66頁(yè)1.3.3 半導(dǎo)體三極管的特性曲線圖2.1.18 BICICEOI第48頁(yè)/共66頁(yè)1.3.3 半導(dǎo)體三極管的特性曲線圖2.1.18 BICICEOI第49頁(yè)/共66頁(yè)【】 已知圖2.1.19中各三極管均為硅管，測(cè)得各管腳的電壓值分別為圖2.1.19中所示值，則問(wèn)各三極管工作在什么區(qū)？圖2.1.19 1.3.1題圖（b）圖中，滿足三極管在放大區(qū)的工作條件，它工作在放大區(qū)。分析方法：【】這類(lèi)問(wèn)題主要根據(jù)Ube和Uce電壓來(lái)確定其工作區(qū)域。（a）圖中因?yàn)閁ce1V，它工作在飽和區(qū)；第50頁(yè)/共66頁(yè)【】 已知圖2.1.20(a)放大電路中各個(gè)三極管均為NPN型，且

17、測(cè)得各個(gè)管腳的對(duì)地電位，判斷各三極管管腳及其類(lèi)型。圖2.1.20 1.3.2題圖分析方法：【】 已知各個(gè)三極管均工作在放大電路中，即它們應(yīng)滿足三極管在放大區(qū)的工作條件，則判斷原則是：（1）中間值應(yīng)為B極；（2）UBE0.7V為硅管，UBE=0.2V為鍺管，并可確立E極；（3）發(fā)射結(jié)應(yīng)正偏，集電結(jié)應(yīng)反偏。判斷結(jié)果如圖2.1.20（b）所示。第51頁(yè)/共66頁(yè)1.3.4 半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)對(duì)給定的三極管， 第52頁(yè)/共66頁(yè)1.3.4 半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)【例1.3.3】從輸出特性曲線上(1)計(jì)算Q1點(diǎn)處的直流電流放大系數(shù)(2)由Q1和Q2兩點(diǎn),計(jì)算交流流電流放大系數(shù) 【解】（1）計(jì)算Q1點(diǎn)

18、處：（2）在Q1和Q2兩點(diǎn)得：537040501BC.II 40020800040060501302BC .II BICI圖2.1.18 第53頁(yè)/共66頁(yè)1.3.4 半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)指基極開(kāi)路時(shí)，電流。該值越小越好。CEOI0B I集電極電流過(guò)大會(huì)引起下降，當(dāng)下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流稱(chēng)為集電極最大允許電流ICM。使用時(shí)ICM。CMI圖2.1.21 第54頁(yè)/共66頁(yè)1.3.4 半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)CEOI0B ICMI基極開(kāi)路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓CMPCMP CEOBRUCECCMUIP 根據(jù)上式，可作出一條雙曲線。結(jié)論：由 、圖2.1.21 第55頁(yè)

19、/共66頁(yè)按結(jié)構(gòu)不同分類(lèi)：絕緣柵型管按工作狀態(tài)不同分類(lèi)：按溝道不同分類(lèi)：第56頁(yè)/共66頁(yè)1.4.1 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵圖2.1.22 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵S S源極源極G G柵極柵極D D漏極漏極簡(jiǎn)稱(chēng)NMOS管。第57頁(yè)/共66頁(yè)1.4.1 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵 當(dāng)柵源電壓UGS = 0 時(shí)，從漏極到源極之間的兩個(gè)PN結(jié)是反向串聯(lián)的，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)是反向偏置的，因此，漏極和源極之間的電阻很大，可以認(rèn)為漏極電流近似為零ID0。UGS = 0 時(shí)，ID0S S源極源極D D漏極漏極第58頁(yè)/共66頁(yè)1.4.1 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵當(dāng)UGS 0 時(shí)，P型襯底中的電子受到電場(chǎng)力的吸引到達(dá)表層，在P型襯底的表面形成漏極和源極之間的導(dǎo)電溝道。源N型導(dǎo)電溝道D