電工電子學(xué)課件第九章半導(dǎo)體器件課時(shí)

電工電子學(xué)課件第九章半導(dǎo)體器件課時(shí)第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一第九章半導(dǎo)體器件9-1PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管9-3晶體管9-4場(chǎng)效應(yīng)管9-2特殊二極管第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

一、半導(dǎo)體材料

元素半導(dǎo)體材料有硅Si和鍺Ge等,它們都是4價(jià)元素.化合物半導(dǎo)體由大多數(shù)金屬氧化物、硫化物及砷化物組成等。導(dǎo)電特點(diǎn):1、其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響2、在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)可以顯著提高導(dǎo)電能力

二、半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。概述第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子

在絕對(duì)溫度T=0K和沒有外界激發(fā)時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。1、本征半導(dǎo)體—化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體,它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。制做半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。

三、本征半導(dǎo)體第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2、本征激發(fā)----在室溫下，價(jià)電子就會(huì)獲得足夠的隨機(jī)熱振動(dòng)能量而掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子的現(xiàn)象。空穴——共價(jià)鍵中的空位。

看作是帶正電的粒子，所帶電量與電子相等，符號(hào)相反由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子自由電子移走后留下的空穴本征半導(dǎo)體內(nèi)，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，因此自由電子和空穴數(shù)相等，整個(gè)晶體仍呈電中性。AVI0/1-1.AVI第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一自由電子帶負(fù)電荷電子流＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流3、空穴的移動(dòng)——空穴的移動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子在外加電場(chǎng)或其他能源的作用下依次填補(bǔ)空穴來實(shí)現(xiàn)的。

空穴的移動(dòng)方向和自由電子的移動(dòng)方向相反。空穴和自由電子的移動(dòng)形成電流，兩者均是載流子。導(dǎo)電機(jī)理*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)1：其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響溫度↑→載流子濃度↑→導(dǎo)電能力↑AVI0/1-2.AVI第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

雜質(zhì)半導(dǎo)體-----在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體。1、N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。

四、雜質(zhì)半導(dǎo)體硅原子多余電子磷原子++++++++++++N型半導(dǎo)體電子空穴對(duì)自由電子施主離子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等，稱為P型半導(dǎo)體。空穴硼原子硅原子多數(shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對(duì)2、P型半導(dǎo)體第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

一、PN結(jié)的形成1、濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2、擴(kuò)散空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)3、內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)

阻止多子的擴(kuò)散4、擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡載流子的運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)——濃度差產(chǎn)生的載流子移動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)——在電場(chǎng)作用下，載流子的移動(dòng)P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散：空穴電子漂移：電子空穴形成過程可分成4步：內(nèi)電場(chǎng)9-1PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管AVI0/1-3.AVI第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一PN結(jié)形成的物理過程：

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。擴(kuò)散>

漂移否是寬第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r(shí)才…

擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡將…定義：加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏

擴(kuò)散>漂移大的正向擴(kuò)散電流（多子）低電阻正向?qū)?/p>

漂移>擴(kuò)散很小的反向漂移電流（少子）高電阻反向截止AVI0/1-4.AVIAVI0/1-5.AVI第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一PN結(jié)的伏安特性1、PN結(jié)的伏安特性特性平坦反向截止一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的陡峭電阻小正向?qū)ǚ蔷€性

2、PN結(jié)的反向擊穿

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一三、半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管圖片第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

1、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一(3)平面型二極管

往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號(hào)第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

2、二極管的伏安特性硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性Vth=0.5V（硅管）Vth=0.1V（鍺管）注意：1、死區(qū)電壓（門坎電壓）3、反向飽和電流 硅管：0.1A；鍺管：10A

2、正向壓降硅管VD

：0.6~0.8V（常取0.7V）鍺管VD

：0.2~0.3V（常取0.2V）第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

3、二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CB硅二極管2CP10的V-I特性請(qǐng)自學(xué)第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一4、二極管基本電路及其分析方法（1）二極管正向V-I特性的建模

1.理想模型

2.恒壓降模型正偏管壓降為0，反偏時(shí)電流為0VD=0.7V（硅）VD=0.2V（鍺）第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

例1：電路如圖所示，判斷D的狀態(tài).

(用理想模型)解：

則：接D陽極的電位為-6V，接D陰極的電位為-12V。

導(dǎo)通后，D的壓降等于零（理想二極管），視為導(dǎo)線

所以，AO的電壓為-6V。以O(shè)為基準(zhǔn)電位，既O點(diǎn)為0V。VD=-6V-(-12V)=6V>0D正向?qū)?V-12V-6V先斷開D，求二極管端電壓（2）模型分析法應(yīng)用舉例第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一例2：整流電路：將交流電壓變換為單極性電壓。

第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一例3：限幅電路（削波電路）

第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一例4：鉗位、隔離電路（數(shù)字電路中的開關(guān)電路）

D2優(yōu)先導(dǎo)通，使得C點(diǎn)電位為0V，此時(shí)D1的陰極電位為1V，陽極電位為0V，處于反向截止（反向偏置）。故輸出為0V。 第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí)：2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向擊穿iD=

？vD=

？二極管狀態(tài)判斷方法假設(shè)D截止（開路），求D兩端開路電壓普通：熱擊穿－損壞齊納：電擊穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向?qū)ǎ?VBR<VD0VD反向截止，ID=0VD-VBRD反向擊穿，VD=-VBRD正向?qū)?？D正向?qū)ǎ〉?5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一9-2特殊二極管

一、穩(wěn)壓二極管（齊納）

二、變?nèi)荻O管

三、光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管3.激光二極管反向擊穿狀態(tài)反向截止，利用勢(shì)壘電容反向截止，少子漂移電流特殊材料，正向?qū)òl(fā)光第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一一、穩(wěn)壓二極管1、符號(hào)及穩(wěn)壓特性(a)符號(hào)(b)伏安特性

利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)（齊納擊穿）。第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ2、穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一3、穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZ#

穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？RL↑→IO↓→IR↓→VO↑→IZ↑→IR↑→VO↓{end}VI↑→VO↑→IZ↑→IR↑→VO↓第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一一、BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)

發(fā)射極Emitter集電極Collector

基極Base1、結(jié)構(gòu)和符號(hào)發(fā)射結(jié)(Je)

集電結(jié)(Jc)PNPNPN發(fā)射載流子(電子)收集載流子(電子)傳送載流子（電子）；復(fù)合部分電子，控制傳送比例由結(jié)構(gòu)展開聯(lián)想…2、工作原理3、實(shí)現(xiàn)條件外部條件 內(nèi)部條件

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：Je正偏Jc反偏摻雜濃度最高面積較小摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)面積較大摻雜濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)且很薄9-3晶體管（半導(dǎo)體三極管）第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一二、BJT的電流分配與放大原理1、內(nèi)部載流子的傳輸過程

擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子中的極少部分與空穴復(fù)合，在電源VBB的作用下，電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)將源源不斷地進(jìn)行，形成基極電流IB。Jc加反向電壓，使擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子中的大部分做漂移運(yùn)動(dòng)，越過Jc到達(dá)集電區(qū)，形成電流ICN

。同時(shí)，基區(qū)與集電區(qū)的少子做漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極-基極反向飽和電流ICBO。ICN

+ICBO=

IC（集電極電流）≈ICNJe加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成電子電流

IEN和空穴電流IEP。IEN+IEP=

IE（發(fā)射極電流）

IE

≈IEN

。第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

三極管的放大作用是通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。本質(zhì)：電流分配關(guān)系外部條件：

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2、電流分配關(guān)系根據(jù)傳輸過程可知IE=IB+IC

(1)IC=ICN+ICBO (2)IB=IB’-ICBO (3)定義通常

IC>>ICBO則有所以

為共基極電流放大系數(shù)，它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般

=0.90.99硅：0.1A；鍺：10AIB=(1-α)IE第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一3、三極管（放大電路）的三種組態(tài)共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；如何判斷組態(tài)？外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)這一傳輸過程（放大作用）的兩個(gè)條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄，集電區(qū)面積大。（2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一vCE=0V+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE

iB=f(vBE)

vCE=const(2)當(dāng)vCE≥1V時(shí)，vCB=vCE

-vBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。vCE=0VvCE

1V(1)當(dāng)vCE=0V時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。1、輸入特性曲線三、BJT的特性曲線（以共射極放大電路為例）iC=f(vCE)

iB=const2、輸出特性曲線第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE＜0.7V(硅管)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。iC=f(vCE)

iB=const2、輸出特性曲線輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域:截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，vBE小于死區(qū)電壓。放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一非線性失真與線性范圍飽和失真截止失真當(dāng)工作點(diǎn)達(dá)到了飽和區(qū)而引起的非線性失真。NPN管輸出電壓為底部失真當(dāng)工作點(diǎn)達(dá)到了截止區(qū)而引起的非線性失真。NPN管輸出電壓為頂部失真。飽和區(qū)特點(diǎn)：

iC不再隨iB的增加而線性增加，即此時(shí)

，vCE=VCES（飽和壓降）

，典型值為：硅管取0.3V，鍺管取0.1V截止區(qū)特點(diǎn)：iB=0，iC=ICEO≈0非線性失真注意：對(duì)于PNP管，失真的表現(xiàn)形式，與NPN管正好相反。發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏發(fā)射結(jié)反偏第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一線性范圍（動(dòng)態(tài)范圍