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第二章半导体基本器件

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第二章半导体基本器件. 第二章半导体基本器件. 2.1 半导体二极管 PN 结的单向导电原理,二极管的伏安特性. 2.2 半导体三极管 ⑴ 三极管输出特性中的截止区、放大区和饱和区等概念。 ⑵ 三极管共发射极电流放大系数的概念 ⑶ 三极管开关电路工作状态的分析方法. 2.3 MOS 场效应管 ⑴ MOS 场效应管的分类及符号 ⑵ 增强型 NMOS 管的特性曲线. 2.1 半导体二极管. 2.1.1 半导体基本知识 1. 半导体的载流子 ── 电子和空穴 半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质,如硅 (Si), 锗 (Ge) 。

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Presentation Transcript
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第二章半导体基本器件
  • 2.1 半导体二极管
    • PN结的单向导电原理,二极管的伏安特性
  • 2.2 半导体三极管
    • ⑴三极管输出特性中的截止区、放大区和饱和区等概念。
    • ⑵三极管共发射极电流放大系数的概念
    • ⑶三极管开关电路工作状态的分析方法
  • 2.3 MOS场效应管
    • ⑴ MOS场效应管的分类及符号
    • ⑵ 增强型NMOS管的特性曲线
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2.1半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 1.半导体的载流子
  • ──电子和空穴
  • 半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质,如硅(Si),锗(Ge)。
  • 硅和锗的原子结构简化模型
  • 硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个价电子。

可运动的带电粒子

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2.1 半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 1.半导体的载流子──电子和空穴
  • 本征半导体(纯净的半导体晶体)
  • 热激发产生自由电子和空穴
  • 室温下,由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子,同时在共价键中留下一个空位这个空位称为“空穴”。失去价电子的原子成为正离子,就好象空穴带正电荷一样。
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2.1 半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 1.半导体的载流子──电子和空穴
  • 空穴运动(与自由电子运动不同)
  • 有了空穴,邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴,这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动,从效果上看,相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。
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2.1 半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 1.半导体的载流子──电子和空穴
  • 结论:
  • 本征半导体中有两种载流子
  • ①带负电荷的自由电子
  • ②带正电荷的空穴
  • 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的,电子和空穴又可能重新结合而成对消失,称为“复合”。
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2.1半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 2. N型和P型半导体
  • (1)N型半导体
  • 在硅晶体中掺入五价元素磷, 多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很容易成为自由电子。
  • 磷原子失去一个电子成为正离子(在晶体中不能移动)。 每个磷原子都提供一个自由电子,自由电子数目大大增加,远远超过空穴数。这种半导体主要依靠电子导电,称为电子型或N型半导体。
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2.1半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 2. N型和P型半导体
  • (1)N型半导体
  • 自由电子:多数载流子(简称多子)
  • 空 穴:少数载流子(简称少子)
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2.1 半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 2. N型和P型半导体
  • (2)P型半导体
  • 在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻硅原子组成共价键时由于缺少一个价电子而产生一个空位,这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。
  • 硼原子得到一个电子成为负离子(在晶体中不能移动),失去价电子的共价键中出现一个空穴,每个硼原子都产生一个空穴,空穴数目大大增加,远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电,称为空穴型或P型半导体。
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2.1半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 2. N型和P型半导体
  • (2)P型半导体的特点
  • 空 穴:多数载流子(简称多子)
  • 自由电子:少数载流子(简称少子)
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2.1 半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 3. PN结的形成
  • 半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。半导体中,如果载流子浓度分布不均匀,因为浓度差,载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动,这种运动称为扩散运动。
  • 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体,另一侧掺杂成N型半导体,在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层: PN结
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2.1 半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 3. PN结的形成
  • ① 多子扩散运动形成空间电荷区
  • 由于浓度差,电子和空穴扩散的结果,在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区(PN结),并产生由N区指向P区的内电场EIN。
  • ② 内电场EIN阻止多子扩散,促使少子漂移。
  • ③扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结。
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2.1 半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 4. PN结的单向导电性
  • ①外加正向电压(正向偏置)
  • 外加电场与内电场方向相反,内电场削弱,扩散运动大大超过漂移运动,N区电子不断扩散到P区,P区空穴不断扩散到N区,形成较大的正向电流,这时称PN结处于“导通”状态。
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2.1半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 4. PN结的单向导电性
  • ②外加反向电压(反向偏置)
  • 外加电场与内电场方向相同,内电场增强,多子扩散难以进行,少子在电场作用下形成反向电流 IR,因为是少子漂移运动产生的, IR很小,这时称PN结处于“截止”状态。
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2.1半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 4. PN结的单向导电性
  • ③ PN结伏安特性
  • a. 外加正向电压较小时,外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力,PN结仍处于截止状态 b. 正向电压大于“导通电压UON”后,i 随着 u 增大迅速上升。

Uon≈0.5V(硅) Uon≈0.1V(锗)

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2.1 半导体二极管
  • 2.1.1 半导体基本知识
  • 4. PN结的单向导电性
  • ③ PN结伏安特性
  • c. 外加反向电压时, PN结处于截止状态,反向电流 IR很小。 d. 反向电压大于“击穿电压U(BR)”时,反向电流 IR急剧增加。
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2.1 半导体二极管

IN4007

  • 2.1.2 二极管符号及主要参数
  • 二极管主要参数:
  • 1.最大正向电流 IF
  • 2.反向击穿电压U(BR)

IN4148

A阳极 K阴极

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2.1半导体二极管
  • 2.1.3 二极管应用举例
  • 二极管的伏安特性是一个非线性的曲线,在电路计算中,导通时管压降近似估算为: UD≈0.7V(硅) UD≈0.3V(锗) p42
  • 或视为一个理想开关,即导通时视为“短路”,截止时视为“开路”。 p44
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2.2 半导体三极管
  • NPN型和PNP型三极管的结构示意图及电路符号
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C

集电极

集电极

C

C

B

N

P

E

集电结

集电结

B

B

P

N

基极

C

发射结

发射结

N

P

B

E

发射极

E

发射极

E

2.2 半导体三极管
  • NPN型和PNP型三极管的结构示意图及电路符号
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2.2 半导体三极管
  • 2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
  • 1.三极管的放大原理
  • 条件:发射结正向偏置,集电结反向偏置
  • 电流的分配关系

β称为电流放大系数 β值通常在20~200之间

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2.2 半导体三极管
  • 2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
  • 1.三极管的放大原理
  • 条件:发射结正向偏置,集电结反向偏置
  • 电流的分配关系

β称为电流放大系数 β值通常在20~200之间

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2.2半导体三极管

2.2.1 三极管的符号及其特性曲线

2. 三极管的特性曲线及三个工作区

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2.2 半导体三极管
  • 2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
  • 2. 三极管的特性曲线及三个工作区
  • 截止条件:
  • 特点:
  • c ~ e之间相当于断开的开关
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2.2半导体三极管
  • 2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
  • 2. 三极管的特性曲线及三个工作区
  • 放大条件:
  • 特点:
  • c ~ e之间相当于受控电流源
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2.2半导体三极管
  • 2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
  • 2. 三极管的特性曲线及三个工作区
  • 饱和条件:
  • 特点:
  • c ~ e之间相当于闭合的开关
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2.2 半导体三极管
  • 截止和饱和两个状态通称为开关状态。
  • 截止条件:
  • 特点:
  • c ~ e之间相当于断开的开关。
  • 饱和条件:
  • 特点:
  • c ~ e之间相当于闭合的开关。
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2.2.2 三极管的主要参数及应用

共发射极电流放大系数

最大电流ICM, 最大功率PCM

Ic

Ib

Icm=600mA; PcM=625mW

设工作电流 Ic = 200mA Uce < 625/200 = 3V

50 u ces 0 3 v u be 0 7 v u i 1v 1v 3v

+6V

3 KΩ

R c

R b

u I

10 KΩ

电路如图所示,已知β=50,UCES = 0.3 V , uBE = 0.7 V, 试计算 uI 分别为-1V,+1V,+3V时三极管的工作状态。
2 3 mos
2.3 MOS场效应管
  • MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的,输入端不需要供给电流。
  • P型硅片作衬底,表面制作两个N型区,引出源极(s)和漏极(d),覆盖一层SiO2,在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝,引出栅极(g) 。

金属-氧化物-半导体场效应管(Metal-Oxide-semiconductor)

电路符号

d

g

s

2 3 mos1
2.3 MOS场效应管
  • uGS= 0 时,漏源之间相当于两个背靠背的PN结,无论漏源之间加何种极性的电压,都不能导电。
  • uGS为正时,产生一个电场,把P型衬底少子电子吸引到衬底表面,当uGS增大到一定值时,电子在衬底表面形成一个N型层即N型导电沟道。
2 3 mos2
2.3 MOS场效应管

IG=0

  • 小结:MOS管是一个受栅源电压uGS控制的器件
  • ① uGS<UGS(th)时,D-S间无导电沟道,MOS管截止。
  • ② uGS>UGS(th)时,D-S间才会形成导电沟道, 故称为N沟道增强型MOS管。 uGS增大,导电沟道变宽。即改变uGS可以控制iD的大小。

ΔID=gm×ΔUGS

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uGS<UGS(th), 管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关

uGS> UGS(th),uDS较大, iD取决于uGS。 ΔID=gm×ΔUGS

uGS> UGS(th),uDS较小。 iD与uDS之间近似为线性关系,D、S之间相当于一个由uGS控制的可变电阻。

输出特性

转移特性

UGS(th):开启电压

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MOS管的开关特性

在夹断区,管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关。

在可变电阻区,D、S之间导通电阻rDS(ON)很小,约为几百欧姆。只要RD远大于这个导通电阻,漏源之间可以看作闭合的开关。

输出特性

转移特性

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P沟道增强型MOS管

P沟道增强型MOS管S+ D- 电流从S流入,D流出

p

p

n

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