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第二章半導(dǎo)體基本器件第二章半導(dǎo)體基本器件2.1半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的單向?qū)щ娫?,二極管的伏安特性2.2半導(dǎo)體三極管⑴三極管輸出特性中的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)等概念。⑵三極管共發(fā)射極電流放大系數(shù)的概念⑶三極管開關(guān)電路工作狀態(tài)的分析方法2.3MOS場效應(yīng)管⑴MOS場效應(yīng)管的分類及符號⑵增強型NMOS管的特性曲線2.1
半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識1.半導(dǎo)體的載流子
──電子和空穴半導(dǎo)體:導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì),如硅(Si),鍺(Ge)。硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型硅和鍺都是四價元素,原子的最外層軌道上有四個價電子??蛇\動的帶電粒子2.1
半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識1.半導(dǎo)體的載流子──電子和空穴空穴運動(與自由電子運動不同)有了空穴,鄰近共價鍵中的價電子很容易過來填補這個空穴,這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價鍵中。新的空穴又會被鄰近的價電子填補。帶負(fù)電荷的價電子依次填補空穴的運動,從效果上看,相當(dāng)于帶正電荷的空穴作相反方向的運動。2.1
半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識1.半導(dǎo)體的載流子──電子和空穴結(jié)論:本征半導(dǎo)體中有兩種載流子①帶負(fù)電荷的自由電子②帶正電荷的空穴熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的,電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對消失,稱為“復(fù)合”。2.1
半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識2.N型和P型半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體在硅晶體中摻入五價元素磷,多出的一個電子不受共價鍵的束縛,室溫下很容易成為自由電子。磷原子失去一個電子成為正離子(在晶體中不能移動)。每個磷原子都提供一個自由電子,自由電子數(shù)目大大增加,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過空穴數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠電子導(dǎo)電,稱為電子型或N型半導(dǎo)體。2.1半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識2.N型和P型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體在硅晶體中摻入三價元素硼,硼原子與相鄰硅原子組成共價鍵時由于缺少一個價電子而產(chǎn)生一個空位,這個空位很容易被鄰近共價鍵中的價電子填補。硼原子得到一個電子成為負(fù)離子(在晶體中不能移動),失去價電子的共價鍵中出現(xiàn)一個空穴,每個硼原子都產(chǎn)生一個空穴,空穴數(shù)目大大增加,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自由電子數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠空穴導(dǎo)電,稱為空穴型或P型半導(dǎo)體。2.1
半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識2.N型和P型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體的特點空穴:多數(shù)載流子(簡稱多子)自由電子:少數(shù)載流子(簡稱少子)2.1半導(dǎo)體二極管
2.1.1半導(dǎo)體基本知識
3.PN結(jié)的形成半導(dǎo)體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動。半導(dǎo)體中,如果載流子濃度分布不均勻,因為濃度差,載流子將會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動,這種運動稱為擴散運動。將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體,另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體,在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個特殊的薄層:PN結(jié)2.1
半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓偻饧诱螂妷海ㄕ蚱茫┩饧与妶雠c內(nèi)電場方向相反,內(nèi)電場削弱,擴散運動大大超過漂移運動,N區(qū)電子不斷擴散到P區(qū),P區(qū)空穴不斷擴散到N區(qū),形成較大的正向電流,這時稱PN結(jié)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)。2.1
半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓谕饧臃聪螂妷海ǚ聪蚱茫┩饧与妶雠c內(nèi)電場方向相同,內(nèi)電場增強,多子擴散難以進行,少子在電場作用下形成反向電流IR,因為是少子漂移運動產(chǎn)生的,IR很小,這時稱PN結(jié)處于“截止”狀態(tài)。2.1
半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓跴N結(jié)伏安特性a.外加正向電壓較小時,外電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴散的阻力,PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(tài)b.正向電壓大于“導(dǎo)通電壓UON”后,i隨著u增大迅速上升。Uon≈0.5V(硅)Uon≈0.1V(鍺)2.1
半導(dǎo)體二極管2.1.2二極管符號及主要參數(shù)二極管主要參數(shù):1.最大正向電流IF
2.反向擊穿電壓U(BR)
A陽極K陰極IN4148IN40072.1
半導(dǎo)體二極管2.1.3二極管應(yīng)用舉例二極管的伏安特性是一個非線性的曲線,在電路計算中,導(dǎo)通時管壓降近似估算為:UD≈0.7V(硅)UD≈0.3V(鍺)p42或視為一個理想開關(guān),即導(dǎo)通時視為“短路”,截止時視為“開路”。p442.2半導(dǎo)體三極管NPN型和PNP型三極管的結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號C集電極BE發(fā)射極
P集電結(jié)發(fā)射結(jié)
N
NC集電極BE發(fā)射極基極
N集電結(jié)發(fā)射結(jié)
P
PCEBCEB
TO-220晶體管
TO-92晶體管TO-126晶體管
教材100-113頁TTL-TransisterTransisterLogic2.2
半導(dǎo)體三極管2.2.1三極管的符號及其特性曲線1.三極管的放大原理條件:發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置電流的分配關(guān)系
β稱為電流放大系數(shù)β值通常在20~200之間2.2
半導(dǎo)體三極管2.2.1三極管的符號及其特性曲線2.三極管的特性曲線及三個工作區(qū)2.2
半導(dǎo)體三極管
2.2.1三極管的符號及其特性曲線2.三極管的特性曲線及三個工作區(qū)截止條件:特點:c~e
之間相當(dāng)于斷開的開關(guān)2.2
半導(dǎo)體三極管2.2.1三極管的符號及其特性曲線2.三極管的特性曲線及三個工作區(qū)放大條件:特點:c~e
之間相當(dāng)于受控電流源2.2
半導(dǎo)體三極管截止和飽和兩個狀態(tài)通稱為開關(guān)狀態(tài)。截止條件:
特點:c~e
之間相當(dāng)于斷開的開關(guān)。飽和條件:
特點:
c~e
之間相當(dāng)于閉合的開關(guān)。IbIc最大電流ICM,最大功率PCMIcm=600mA;PcM=625mW設(shè)工作電流Ic=200mAUce<625/200=3V共發(fā)射極電流放大系數(shù)2.2.2三極管的主要參數(shù)及應(yīng)用電路如圖所示,已知β=50,UCES=0.3V,uBE=0.7V,試計算uI分別為-1V,+1V,+3V時三極管的工作狀態(tài)。3KΩRc+6VRb10KΩuI2.3MOS場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管是利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)來控制輸出電流的,輸入端不需要供給電流。P型硅片作襯底,表面制作兩個N型區(qū),引出源極(s)和漏極(d),覆蓋一層SiO2,在漏源之間絕緣層上再制作一層金屬鋁,引出柵極(g)。金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal-Oxide-semiconductor)電路符號gds2.3MOS場效應(yīng)管uGS=0時,漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的PN結(jié),無論漏源之間加何種極性的電壓,都不能導(dǎo)電。uGS
為正時,產(chǎn)生一個電場,把P型襯底少子電子吸引到襯底表面,當(dāng)uGS增大到一定值時,電子在襯底表面形成一個N型層即N型導(dǎo)電溝道。2.3MOS場效應(yīng)管小結(jié):MOS管是一個受柵源電壓uGS控制的器件①uGS<UGS(th)時,D-S間無導(dǎo)電溝道,MOS管截止。
②uGS>UGS(th)時,D-S間才會形成導(dǎo)電溝道,故稱為N溝道增強型MOS管。uGS增大,導(dǎo)電溝道變寬。即改變uGS可以控制iD的大小。ΔID=gm×ΔUGSIG=0UGS(th):開啟電壓轉(zhuǎn)移特性輸出特性
uGS<UGS(th),管子處于截止?fàn)顟B(tài),D、S之間相當(dāng)于斷開的開關(guān)uGS>UGS(th)
,uDS較小。iD與uDS之間近似為線性關(guān)系,D、S之間相當(dāng)于一個由uGS控制的可變電阻。uGS>UGS(th)
,uDS較大,iD取決于uGS。
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