電子技術(shù)教案5

常用半導(dǎo)體器件第5章5.1PN結(jié)及其單導(dǎo)游電性5.2半導(dǎo)體二極管5.3穩(wěn)壓二極管5.6光電器件常用半導(dǎo)體器件第5章5.4半導(dǎo)體三極管5.5絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管本章學(xué)習(xí)目的了解電子和空穴兩種載流子及分散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的概念。掌握PN結(jié)的單導(dǎo)游電性。掌握二極管的伏安特性、主要參數(shù)及主要運(yùn)用場(chǎng)所。掌握穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用、主要參數(shù)及運(yùn)用。了解三極管的任務(wù)原理、特性曲線、主要參數(shù)、放大作用和開(kāi)關(guān)作用。會(huì)分析三極管的三種任務(wù)形狀。了解場(chǎng)效應(yīng)管的恒流、夾斷、變阻三種任務(wù)形狀，了解場(chǎng)效應(yīng)管的運(yùn)用。5.1PN結(jié)及其單導(dǎo)游電性5.1.1半導(dǎo)體根底知識(shí)導(dǎo)體:自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì).例如金屬。絕緣體：電阻率很高的物質(zhì)，幾乎不導(dǎo)電;如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，例如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等半導(dǎo)體的特點(diǎn)當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電才干明顯變化。往純真的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電才干明顯改動(dòng)。1.本征半導(dǎo)體GeSi本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理純真的半導(dǎo)體。如：硅和鍺1〕最外層四個(gè)價(jià)電子。2〕共價(jià)鍵構(gòu)造+4+4+4+4共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4表示除去價(jià)電子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱(chēng)為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自在電子，因此本征半導(dǎo)體中的自在電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電才干很弱。構(gòu)成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定構(gòu)造。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)那么陳列，構(gòu)成晶體。+4+4+4+43〕在絕對(duì)0度和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子〔即載流子〕，它的導(dǎo)電才干為0，相當(dāng)于絕緣體。+4+4+4+44〕在熱或光激發(fā)下，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自在電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。+4+4+4+4空穴束縛電子自在電子在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的挪動(dòng)，因此可以以為空穴是載流子。+4+4+4+45〕自在電子和空穴的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成電流可見(jiàn)因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自在電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自在電子和空穴。溫度越高載流子的濃度越高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電才干越強(qiáng)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電才干取決于載流子的濃度。歸納

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體使某種載流子濃度大大添加。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)。1〕N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體〔四價(jià)〕中摻入少量的五價(jià)元素磷，使自在電子濃度大大添加。多數(shù)載流子〔多子〕：電子。取決于摻雜濃度；少數(shù)載流子〔少子〕：空穴。取決于溫度。+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子磷原子2〕P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體〔四價(jià)〕中摻入少量的三價(jià)元素硼，使空穴濃度大大添加。多數(shù)載流子〔多子〕：空穴。取決于摻雜濃度；少數(shù)載流子〔少子〕：電子。取決于溫度。+4+4+3+4空穴硼原子歸納3、雜質(zhì)半導(dǎo)體中起導(dǎo)電作用的主要是多子。4、N型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子；P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。1、雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多數(shù)載流子和少數(shù)載流子〔簡(jiǎn)稱(chēng)多子、少子〕。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量取決于摻雜濃度，少數(shù)載流子的數(shù)量取決于溫度。◆◆◆◆雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體5.1.2PN結(jié)的構(gòu)成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的分散，在它們的交界面處就構(gòu)成了PN結(jié)。因濃度差

多子的分散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子構(gòu)成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)構(gòu)成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子分散

P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++分散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)分散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++分散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++分散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)所以分散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終到達(dá)平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)1〕PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，減弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子分散運(yùn)動(dòng)的妨礙減弱，分散電流加大。分散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。2.PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一樣，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子分散運(yùn)動(dòng)的妨礙加強(qiáng)，分散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下構(gòu)成的漂移電流大于分散電流，可忽略分散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決議的少子濃度是一定的，故少子構(gòu)成的漂移電流是恒定的，根本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱(chēng)為反向飽和電流?？臻g電荷區(qū)中沒(méi)有載流子?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)妨礙多子〔P中的空穴、N中的電子〕的分散運(yùn)動(dòng)。P中的電子和N中的空穴〔都是少子〕，數(shù)量有限，因此由它們構(gòu)成的漂移電流很小?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)推進(jìn)少子〔P中的電子、N中的空穴〕的漂移運(yùn)動(dòng)。5.1.3PN結(jié)的單導(dǎo)游電性PN結(jié)加正向電壓〔正向偏置〕：P區(qū)接電源的正極、N區(qū)接電源的負(fù)極。PN結(jié)加反向電壓〔反向偏置〕：P區(qū)接電源的負(fù)極、N區(qū)接電源的正極。PN結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被減弱，多子的分散加強(qiáng)可以構(gòu)成較大的分散電流。I正PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的分散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能構(gòu)成較小的反向電流。I反PN結(jié)的單導(dǎo)游電性正向特性反向特性歸納◆◆P〔+〕，N〔-〕，外電場(chǎng)減弱內(nèi)電場(chǎng)，結(jié)導(dǎo)通，I大；I的大小與外加電壓有關(guān)；P〔-〕，N〔+〕，外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，結(jié)不通，I反很??；I反的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度有關(guān)；5.2半導(dǎo)體二極管5.2.1根本構(gòu)造PN結(jié)+管殼和引線PN陽(yáng)極陰極符號(hào)：VD半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管5.2.2伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)正向特性：EVDI反向特性：EVDI反U<死區(qū)電壓，不通；U>死區(qū)電壓，導(dǎo)通；UII反很小，與溫度有關(guān)；U擊穿電壓，擊穿導(dǎo)通；I5.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM2.最大反向任務(wù)電壓URM二極管長(zhǎng)期運(yùn)用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。二極管正常任務(wù)時(shí)允許接受的最大反向任務(wù)電壓。手冊(cè)上給出的最高反向任務(wù)電壓URM普通是UBR〔反向擊穿電壓〕的一半。3.最大反向電流IRM指二極管加反向峰值任務(wù)電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，闡明管子的單導(dǎo)游電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。1.理想二極管U>0，VD導(dǎo)通；UD=0，I取決于外電路；相當(dāng)于一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)EVDIUDEIUU0，VD截止；I=0，UD〔負(fù)值〕取決于外電路；相當(dāng)于一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)EVDI反UDEI反U5.2.4運(yùn)用舉例2.二極管的運(yùn)用電路如圖示：知E=5V，ui=10sintVRVDEuiuO解：此類(lèi)電路的分析方法：當(dāng)D的陽(yáng)極電位高于陰極電位時(shí)，D導(dǎo)通，將D作為一短道路；當(dāng)D的陽(yáng)極電位低于陰極電位時(shí)，D截止，將D作為一斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)；將二極管看成理想二極管uituOt10V5V5V削波例1求：uO的波形RRLuiuRuotttuiuRuo設(shè)=RCtp，求uo的波形tp例2電路如圖示：知VA=3VVB=0V求：VF=？解：此類(lèi)電路的分析方法：將二極管看成理想二極管。當(dāng)幾個(gè)二極管共陽(yáng)極或共陰極銜接時(shí)，接受正向電壓高的二極管先導(dǎo)通。VDB通，VF=0VRVDAAVDBB+12VF箝位隔離例35.3穩(wěn)壓二極管UIUZIZIZmaxUZIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。1.構(gòu)造和符號(hào)：構(gòu)造同二極管2.伏安特性：穩(wěn)壓值同二極管VDZ穩(wěn)壓誤差+-+-3.主要參數(shù)1〕穩(wěn)定電壓UZ2〕動(dòng)態(tài)電阻ZZIUZrdd=3〕穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。4〕最大允許功耗UIUZIZminIZmax4.穩(wěn)壓管與二極管的主要區(qū)別穩(wěn)壓管運(yùn)用在反向擊穿區(qū)二極管運(yùn)用在正向區(qū)；穩(wěn)壓管比二極管的反向特性更陡。穩(wěn)壓二極管在任務(wù)時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以維護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，經(jīng)過(guò)該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)理穩(wěn)壓管的任務(wù)電流，從而起到穩(wěn)壓作用。UOVDZRRL+－知圖示電路中，UZ=6V，最小穩(wěn)定電流IZmin=5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA，負(fù)載電阻RL=600Ω，求限流電阻R的取值范圍。RIRUOVDZRLILIDZ+－UI=10V解：由：得：uiO△u△iIZUZIZM例45.4半導(dǎo)體三極管5.4.1三極管的根本構(gòu)造NPN型PNP型BEC基極發(fā)射極集電極NNPPPNBEC發(fā)射極集電極基極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高BEC基極發(fā)射極集電極NNPBEC基極發(fā)射極集電極NNP發(fā)射結(jié)集電結(jié)1.放大形狀BECNNPEBRBEcRC5.4.2三極管的任務(wù)原理放大的條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏EB保證發(fā)射結(jié)正偏，EC>EB保證集電結(jié)反偏。進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，構(gòu)成電流IB，多數(shù)分散到集電結(jié)。BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)分散，構(gòu)成發(fā)射極電流IE。IEIBRCIB從基區(qū)分散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被搜集，構(gòu)成IC。BECNNPEBRBEcIEICIBICRCIBIC與IB之比稱(chēng)為電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大系數(shù)：動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)：通常：BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管留意！只需：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，晶體管才干任務(wù)在放大形狀。2.飽和形狀當(dāng)三極管的UCE<UBE時(shí)，BC結(jié)處于正向偏置，此時(shí)，即使再添加IB，IC也不會(huì)添加了。飽和形狀飽和的三極管相當(dāng)于一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)3.截止形狀當(dāng)三極管的UBE<UT時(shí)，BE結(jié)處于反向偏置。截止形狀飽和的三極管相當(dāng)于一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)5.3.4三極管的特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB實(shí)驗(yàn)線路：輸入特性：輸出特性：發(fā)射結(jié)電壓UBE與基極電流IB的關(guān)系；集電極電流IC與管壓降UCE的關(guān)系。死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V〔1〕輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VUBEIB任務(wù)壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V〔2〕輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。此區(qū)域滿(mǎn)足IC=IB稱(chēng)為線性區(qū)〔放大區(qū)〕。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱(chēng)為飽和區(qū)。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱(chēng)為截止區(qū)。特性歸納輸入特性同二極管的正向特性UBEIB輸出特性一組曲線〔一個(gè)IB對(duì)應(yīng)一條曲線〕UBE>0，UCE>UBE發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)C=IB電流放大作用UBE<0，IB0發(fā)射結(jié)反偏UBE>0，UCE<UBEIC=IB發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏無(wú)電流放大作用放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A5.4.4主要參數(shù)直流電流放大倍數(shù)：1.電流放大倍數(shù)交流電流放大倍數(shù)：兩者非常接近，通常用作：普通為20~2002.集-射極反向截止電流ICEOAICEO基極開(kāi)路時(shí)的集電極電流。隨溫度變化。所以集電極電流應(yīng)為：IC=IB+ICEO而ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO添加很快，所以IC也相應(yīng)添加。三極管的溫度特性較差。3.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。4.集電極最大允許功耗PCMPC=ICUCE必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC有限制。PCPCM5.集-射極反向擊穿電壓當(dāng)集---射極之間的電壓UCE超越一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓U(BR)CEO。6.集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC流過(guò)三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO平安任務(wù)區(qū)5.5絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用有放大、開(kāi)關(guān)、可變電阻。特點(diǎn)：輸入電阻很大；便于集成分類(lèi)：結(jié)型〔N溝道、P溝道〕 絕緣柵型加強(qiáng)型〔N溝道、P溝道〕 耗盡型〔N溝道、P溝道〕5.5.1根本構(gòu)造和任務(wù)原理P型硅襯底源極柵極漏極PNNGSDSiO2絕緣層兩個(gè)N區(qū)襯底引線1.根本構(gòu)造N溝道加強(qiáng)型金屬鋁導(dǎo)電溝道GSD源極柵極漏極N溝道耗盡型預(yù)埋了導(dǎo)電溝道GSDPNNGSDGSDP溝道加強(qiáng)型NPPGSD源極柵極漏極P溝道耗盡型GSD預(yù)埋了導(dǎo)電溝道NPPGSD2.MOS管的任務(wù)原理以N溝道加強(qiáng)型為例UDSUGSPNNGSDPNNGSDUDSUGSUGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN結(jié)ID=0對(duì)應(yīng)截止區(qū)PNNGSDUDSUGSUGS>0時(shí)UGS足夠大時(shí)〔UGS>UTH〕感應(yīng)出足夠多電子，這里以電子導(dǎo)電為主出現(xiàn)N型的導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子UTH稱(chēng)為開(kāi)啟電壓PNNGSDUDSUGSUGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S銜接起來(lái)，UGS越大此電阻越小。5.5.2加強(qiáng)型N溝道MOS管的特性曲線0IDUGSVT跨導(dǎo)：當(dāng)漏源間電壓UDS堅(jiān)持一定值時(shí)，漏極電流ID與柵源極電壓UGS的關(guān)系曲線。1.轉(zhuǎn)移特性當(dāng)柵源間電壓UGSUTH并堅(jiān)持一定值時(shí)，漏極電流ID與漏源極電壓UDS的關(guān)系曲線IDUDS0UGS=3VUGS=4VUGS=5VⅠⅡⅠ區(qū)：UDS較