第1章半导体器件.ppt
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1、第1章 半导体器件,1.1 半导体的基础知识 1.2 PN结与晶体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 晶体三极管 1.5 场效应晶体管,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体,半导体之所以受到人们的高度重视,并获得广泛的应用,是由于它具有其他物体所没有的独特性质,具体表现在以下3个方面: (1) 掺杂性 (2) 热敏性 (3) 光敏性,1.1.1 本征半导体 本征半导体是指纯净的、不含杂质的半导体。在近代电子学中,用得最多的半导体是硅和锗,它们都是四价元素,原子最外层有4个价电子。硅和锗的原子结构示意图如图1-1所示。,图11 原子结构示意图 (a)硅;(b)
2、锗,在硅和锗等半导体材料中,内部原子排列是有规律的,即为晶体结构。晶体硅(或锗)的原子排列示意图如图12(a)所示。每个硅原子受邻近4个原子的束缚,组成4个共价键。共价键像纽带一样将排列整齐的原子联结起来,如图(b)所示。,图12 硅晶体结构和共价键结构示意图 (a)晶体结构; (b)共价键结构,1.1.2 杂质半导体 1. N型半导体 2. P型半导体,图13 N型半导体的共价键结构,图14 P型半导体的共价键结构,1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流 1. 扩散运动和扩散电流 2. 漂移运动和漂移电流,1.2 PN结与晶体二极管,1.2.1 PN结的基本原理 1.2.2 晶体二极管 1
3、.2.3 晶体二极管应用电路举例,1.2.1 PN结的基本原理 1. PN结的形成,图15 平衡状态下的PN结 (a)初始状态; (b)平衡状态; (c)电位分布,2. PN结的特性 PN结在不同的运用状态下表现的特性不同,了解这些特性是理解和使用晶体二极管、三极管的重要依据。 1) PN结的单向导电性 2) PN结的击穿特性 (1)雪崩击穿。 (2)齐纳击穿(隧道击穿)。,图16 PN正向运用,图17 PN反向运用,3) PN结的电容效应 (1)势垒电容CT。 势垒电容CT与普通电容不同,它的容量随外加电压的改变而改变,并且不成线性关系。而普通金属板电容器,其容量为一常数。分析表明,(11)
4、,(2)扩散电容。PN结正向运用时,除了存在势垒电容以外,还有一种特殊的电容,叫做扩散电容,用CD表示。,(12),1.2.2 晶体二极管 1. 晶体二极管的结构 二极管是由PN结、电极引线和管壳构成的。按其结构特点可分为点接触型、面结合型和平面型3大类,如图18所示。,图18 二极管结构与符号,(1)点接触型二极管如图18(a)所示。 (2)面结合型二极管如图18(b)所示。 (3)平面型二极管如图18(c)所示。 二极管的符号如图18(d)所示。,2. 晶体二极管的伏安特性 (1) 正向特性 (2) 反向特性 (3) 击穿特性 (4) 伏安特性,图19 二极管伏安特性,图110 温度对二极
5、管特性的影响 (a)正向特性; (b)反向特性; (c)击穿特性,温度升高,门限电压Ur下降,如图110(a)所示。一般有,(13),温度升高时,由于少数载流子增加,使反向饱和 电流增大,如图110(b)所示。温度每升高10,反向 饱和电流约增大一倍,即,(14),3. 伏安特性的数学表达式 根据理论分析,二极管的电流与端电压u存在如下关系:,(15),式(15)可近似为,(16a),当u为负值,且满足eu/UT 1时,则,(16b),(17),4. 二极管的主要参数 1) 性能参数 (1)直流电阻RD RD是二极管电压与电流的比值,即,(18),(2)交流电阻rd它是二极管在工作点附近电压微
6、变 量与电流微变量之比,即,(19),rd的数值还可以从二极管的伏安特性表达式中得出,由式(15)得,(110),图111 二极管直流电阻和交流电阻 (a)直流电阻RD;(b)交流电阻rd,3)势垒电容CT 2)极限参数 (1)最大允许整流电流IOM (2)最高反向工作电压URM (3)最大允许功耗PDM,5. 晶体二极管分析方法 图112(a)是一二极管电路,我们可以把该电路分成两部分进行考虑:左边是由E和R组成的线性电路,右边是二极管。分析时主要有两种分析方法:图解法和解析法。,图112 二极管电路分析 (a)电路;(b)图解法,1)图解法 二极管的特性曲线如图112(b)所示,将图112
7、(a)左边的线性电路写成方程为,2)迭代法 由式(15)的二极管特性方程和式(111)联立的方程组可以求出非线性电路的解。但无法直接计算,一般采用迭代法求解。 将式(111)和式(15)改写为,(111),(112a),(112b),单变量的非线性代数方程的一般形式如下: 首先对方程的解做一初次猜测值x(0),若它不满足式(114),则在x(0)处将f(x)展为泰勒级数,(113),(114),(115),(116),(117),式(117)是个线性方程,只要f(x(0)0便可解得,(118),将x作为方程f(x)=0的一个一次修正后的近似解,即令,(119),依此类推,可得第(K+1)次修正
8、后的近似解,(120),3)折线化近似 以上的分析方法都比较繁琐,在工程分析计算中一般将二极管特性曲线作近似处理,使问题得到简化。特性曲线一般有4种折线化近似,如图113所示,它们没有考虑击穿区特性。,图113 二极管特性曲线折线近似,1.2.3 晶体二极管应用电路举例 1. 整流电路 2. 门电路 3. 二极管限幅电路,图114 二极管半波整流电路 (a)电路;(b)输出波形,图115 二极管门电路,图116 二极管限幅电路 (a)电路; (b)波形,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压管 1.3.2 光电二极管 1.3.3 发光二极管 1.3.4 变容二极管,1.3.1 稳压管 稳压管的主
9、要参数如下: (1)稳定电压UZ (2)稳定电流IZ (3)动态电阻RZ (4)电压温度系数 (5)额定功耗PZ,(121),图117 稳压管的伏安特性及符号,图118 稳压管动态电阻,图119 稳压管等效电路,图120示出了稳压管稳压电路,图中稳压管VZ并接在负载RL两端。由图可知,(122),图120 稳压管稳压电路,例11 在图120的稳压电路中,稳压管选为2CW14(UZ=6V,IZmin=5mA,IZmax=33mA),R=510。假定输入电压变化范围为1824V,试确定负载电流的允许变化范围。 解(1) 计算IRmax和IRmin,(2)计算ILmax及ILmin: 由于IR=IL
10、+IZ,当Ui=Uimax和IL=ILmin时,流过IZ的电流最大,为了使稳压管能安全工作,应使 IZmaxIRmax-ILmin 当Ui=Uimin和IL=ILmax时,流过IZ的电流最小,为了稳定输出电压,应使 IZminIRmin-ILmax 因此 ILmaxIRmin-IZmin=23.5-5=18.5mA ILminIRmax-IZmax=35.3-33=2.3mA 即IL的允许变化范围为2.318.5mA。,1.3.2 光电二极管 光电二极管的性能主要从以下几个方面考虑: (1)光谱特性 (2)光照特性 (3)频率响应,图121 光电二极管的符号及特性 (a)符号;(b)光谱特性;
11、(c)光照特性,1.3.3 发光二极管 发光二极管简称LED,通常用化学元素周期表中、族元素的化合物如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)等制成,其符号如图122(a)所示。,图122发光二极管 (a)符号;(b)光谱特性,图123 二极管型光电耦合器,1.3.4 变容二极管 利用PN结的势垒电容随外加反向电压的变化而变化的特性可制成变容二极管,其符号及特性如图124所示。变容二极管的容量很小,为皮法数量级,所以主要用于高频场合下,例如电调谐、调频信号的产生等。,图124变容二极管符号及特性 (a)符号; (b)特性,1.4 晶体三极管,1.4.1 晶体三极管的结构与符号 1.4.2 晶体管的
12、放大原理 1.4.3 晶体三极管特性曲线 1.4.4 晶体管的运用状态 1.4.5 晶体管的主要参数 1.4.6 晶体三极管模型,1.4.1晶体三极管的结构与符号 晶体三极管(常称晶体管)是在一块半导体(锗或硅)上通过掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结,并引出3个电极而构成的,如图125所示。晶体管有3个区:发射区发射载流子的区域;基区传输载流子的区域;集电区收集载流子的区域。,图125 晶体三极管的结构与符号,1.4.2 晶体管的放大作用 1.载流子的传输过程 1)发射区向基区注入电子 2)注入电子在基区边扩散边复合 3)集电区收集扩散来的电子 4)集电结两边少子的漂移,图126 晶体
13、三极管工作原理,2. 电流关系 由三极管内载流子的传输可见,三极管各极电流分别为,(123),(124),(125),(126),所以,而,IE传输到集电极的电流分量,发射极电流IE,(127),IE传输到集电极的电流分量,基区复合电流,(128),利用 得到各极电流之间的关系为,由式(129)和式(132)可以看出,当ICBO很小时有,(129),(130),(131),(132),(133),(134),3. 基区非平衡载流子的密度分布,图127 基区非平衡载流子的密度分布,1.4.3 晶体三极管特性曲线 三极管特性曲线用来描述晶体管外部各极电流与电压的关系。了解晶体管特性曲线是进行晶体管
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