二极管三极管和MOS管.ppt

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1、 二极管的特性二极管的特性(txng)(txng)和主要参数和主要参数 二极管的电路二极管的电路(dinl)(dinl)模型模型 稳压稳压(wn y)(wn y)二极管二极管 PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性1.1 1.1 晶体二极管晶体二极管第1章上页下页返回第1页/共48页第一页，共49页。1 1.本征半导体本征半导体 完全纯净的具有晶体结构(jigu)的半导体称为本征半导体。它具有共价键结构(jigu)。锗和硅的原子结构锗和硅的原子结构单晶硅中的共价键结构单晶硅中的共价键结构(jigu)(jigu)价电子硅原子(yunz)第1章上页下页返回 PNPN结及其单向结及其单向导电特性导

2、电特性第2页/共48页第二页，共49页。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。空穴和自由(zyu)电子都称为载流子。它们成对出现，成对消失。在常温下自由电子和空穴(kn xu)的形成复合(fh)自由电子本征激发第1章上页下页返回空穴第3页/共48页第三页，共49页。2.N型半导体和P型半导体原理图P自由电子(z yu din z)结构图磷原子(yunz)正离子P+在硅或锗中掺入少量(sholing)的五价元素，如磷或砷、锑，则形成N型半导体。多余价电子少子多子正离子在N型半导体中，电子是多子，空穴是少子第1章上页下页 N型半导体返回第4页/共48页第四页，共49页。P型半导体 在硅或锗中掺

3、入三价元素(yun s)，如硼或铝、镓，则形成P型半导体。原理图BB-硼原子(yunz)负离子空穴(kn xu)填补空位结构图在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。多子少子负离子第1章上页下页 返回第5页/共48页第五页，共49页。用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成(xngchng)P型半导体区域和N型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成(xngchng)一个PN结。P 区N 区P区的空穴(kn xu)向N区扩散并与电子复合N区的电子向P区扩散并与空穴(kn xu)复合空间电荷区内电场方向 3 3.PNPN结的形成结的形成第1章上页下页返回第6页/共48页第六页，共49页。空间电荷

4、区内电场(din chng)方向 在一定条件下，多子扩散和少子漂移(pio y)达到动态平衡。P区N区多子(du z)扩散少子漂移第1章上页下页返回第7页/共48页第七页，共49页。在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到(d do)动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。内电场阻挡多子(du z)的扩散运动，推动少子的漂移运动。空间电荷区内电场方向PN多子扩散少子漂移结 论：在PN结中同时存在多子(du z)的扩散运动和少子的漂移运动。第1章上页下页返回第8页/共48页第八页，共49页。4.PN结的单向(dn xin)导电性P区N区内电场(din chng)外电场(din chng)EI空间电荷区

5、变窄 P区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和 N区电子进入空间电荷 区和一部分正 离子中和扩散运动增强，形成较大的正向电流。第1章上页下页外加正向电压返回第9页/共48页第九页，共49页。外电场驱使空间电荷区两侧(lin c)的空穴和自由电子移走空间电荷区变宽 内电场(din chng)外电场(din chng)少子越过PN结形成很小的反向电流IRE第1章上页下页 外加反向电压N区P区返回第10页/共48页第十页，共49页。由上述分析(fnx)可知：PN结具有(jyu)单向导电性 即在PN结上加正向(zhn xin)电压时，PN结电阻很低，正向(zhn xin)电流较大。（PN结处于导通状

6、态）加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小。（PN结处于截止状态）切记第1章上页下页返回第11页/共48页第十一页，共49页。1.1.2 1.1.2 二极管的特性二极管的特性(txng)(txng)和主要参数和主要参数 1.1.结构结构 表示(biosh)符号 面接触(jich)型点接触型引线触丝外壳N型锗片N型硅阳极引线PN结阴极引线金锑合金底座铝合金小球第1章上页下页阴极阳极D返回第12页/共48页第十二页，共49页。第1章上页下页返回(fnhu)几种二极管外观图小功率二极管大功率二极管 发光二极管第13页/共48页第十三页，共49页。2.二极管的伏安(f n)特性-40-20OU/V

7、I/mA604020-50-25正向(zhn xin)反向(fn xin)击穿电压死区电压U(BR)硅管的伏安特性I/A第1章上页下页返回-20-40-25-5010O155I/mAU/V锗管的伏安特性I/A死区电压死区电压：硅管约为：0.5V,锗管约为：0.1V。导通时的正向压降：硅管约为:0.6V0.8V,锗管约为:0.2V0.3V。常温下，反向饱和电流很小.当PN结温度升高时，反向电流明显增加。注 意:第14页/共48页第十四页，共49页。3.二极管的主要参数-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向反向击穿电压死区电压U(BR)I/AU/V第1章上页下页最大整流电流

8、IFM 最高反向电压URM 最高工作频率fM 最大反向电流IRM 返回(fnhu)第15页/共48页第十五页，共49页。第1章上页返回(fnhu)下页1.1.3 1.1.3 二极管的电路二极管的电路(dinl)(dinl)模型模型 1.二极管的工作(gngzu)点EERUQIQER-D-UQU=E RI工作点：QIUO第16页/共48页第十六页，共49页。第1章上页返回(fnhu)下页二极管的静态电阻(dinz)和动态电阻(dinz)静态电阻：UQIQRD=动态电阻：rD=UIIUUQIQQIUO第17页/共48页第十七页，共49页。第1章上页返回(fnhu)下页IU2.二极管特性的折线近似(

9、jn s)及模型QU0NOPU=UON +rD I二极管的电路(dinl)模型+UONrDDiI第18页/共48页第十八页，共49页。稳压管是一种特殊(tsh)的面接触型半导体二极管。符号(fho):DZ阴 极阳 极特点(tdin):(1)反向特性曲线比较陡(2)工作在反向击穿区 稳压二极管稳压二极管第1章上页下页返回I/mAU/V0UZIZIU-第19页/共48页第十九页，共49页。稳压管的主要参数:第1章上页下页稳定电压UZ稳定电流IZ动态电阻rZ最大允许耗散功率PZ M一般情况:高于6V的UZ为负,低于6V的UZ为正。电压温度系数UZrz=UZ/IZ返回(fnhu)I/mAU/V0UZI

10、Z第20页/共48页第二十页，共49页。第1章上页下页返回(fnhu)稳压稳压(wn y)(wn y)管构成的管构成的稳压稳压(wn y)(wn y)电路电路 图中R为限流电阻，用来限制流过稳压管的电流。RL为负载电阻。UiR-DZRL-UOIILIZUZ 由于稳压管工作在其反向特性端，因而在反向击穿的情况下可以保证负载两端的电压在一定的范围内基本保持不变。第21页/共48页第二十一页，共49页。晶体晶体(jngt)(jngt)三极管三极管1.2.1 1.2.1 基本基本(jbn)(jbn)结构和电流放大作用结构和电流放大作用1.2.2 1.2.2 特性特性(txng)(txng)曲线和主要参

11、数曲线和主要参数1.2.3 1.2.3 简化的小信号模型简化的小信号模型第1章上页下页返回第22页/共48页第二十二页，共49页。1.2.1 1.2.1 基本结构和电流基本结构和电流(dinli)(dinli)放大作用放大作用NPN型PNP型CPNNNPPEEBB发射区集电区基区基区基极(j j)发射极集电结发射结发射结集电结集电区发射区集电极集电极C发射极基极(j j)BETCNPNBETCPNP第1章上页下页返回第23页/共48页第二十三页，共49页。晶体管的电流放大晶体管的电流放大(fngd)(fngd)原理原理IEIBRBUBBICUCC输入(shr)电路输出(shch)电路公共端 晶

12、体管具有电流放大作用的外晶体管具有电流放大作用的外部条件：部条件：发射结正向偏置集电结反向偏置NPN 管：UBE0 UBCVBVERCBCE共发射极放大电路共发射极放大电路第1章上页下页PNP 管：UBE0即VCVBIB 或 ICIB第1章上页下页返回(fnhu)晶体管起电流放大作用，必须满足发射结正偏，集电结反偏的条件。3当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。第26页/共48页第二十六页，共49页。特性特性(txng)(txng)曲线和主要参数曲线和主要参数1.1.输入输入(shr)(shr)特性曲线特性

13、曲线IB=f(UBE )UC E =常数(chngsh)UCE1V第1章上页下页返回IEIBRBUBICUCCRC-UBEUCEUBE/VIB/AO第27页/共48页第二十七页，共49页。O2.晶体管输出特性曲线(qxin)IC =f (UCE)|IB=常数(chngsh)IB 减小IB增加(zngji)UCEICIB =20AIB=60AIB=40A第1章上页下页返回IEIBRBUBICUCCRC-UBEUCE第28页/共48页第二十八页，共49页。晶体管输出特性曲线(qxin)分三个工作区UCE /VIC /mA806040 0 IB=20 AO24681234截止(jizh)区饱和(bo

14、h)区放大区第1章上页下页返回第29页/共48页第二十九页，共49页。晶体管三个工作晶体管三个工作晶体管三个工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)区的特点区的特点区的特点:放大放大(fngd)(fngd)区区:截止截止(jizh(jizh)区区:饱和区饱和区:发射结正偏,集电结反偏有电流放大作用,IC=IB输出曲线具有恒流特性发射结、集电结处于反偏失去电流放大作用,IC0晶体管C、E之间相当于开路发射结、集电结处于正偏失去放大作用晶体管C、E之间相当于短路第1章上页下页返回第30页/共48页第三十页，共49页。3.3.主要参数主要参数集电极基极(j j)间反向饱和电流 ICBO集电极发

15、射极间穿透电流 ICEOICEO=(1+)ICBO交流电流放大系数=IC/IB第1章上页下页直流电流放大系数=IC/IB 电流放大系数电流放大系数 极间反向饱和电流极间反向饱和电流返回(fnhu)ICEOCBEAAICBOCEB第31页/共48页第三十一页，共49页。集电极最大允许(ynx)电流 ICM集-射反向(fn xin)击穿电压 U(BR)CEO集电极最大允许耗散(ho sn)功率 PCM过过压压区区过流区过流区安安全全工工作作区区过损区过损区PCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO使用时不允许超使用时不允许超过这些极限参数过这些极限参数.第1章上页下页 极限参数

16、返回第32页/共48页第三十二页，共49页。简化的小信号(xnho)模型 三极管工作(gngzu)在放大状态时可用电路模型来表征它的特性。建立简化小信号模型的条件：1）三极管工作在放大状态;2)输入信号非常(fichng)小（一般A数量级）上页下页第1章返回第33页/共48页第三十三页，共49页。rbe=200+（1+）26（mv）IE（mA）三极管微变等效模型三极管微变等效模型(mxng)(mxng)的建立步骤：的建立步骤：iB0uBEUce1VIBIBUBE第1章上页下页Q 输入回路微变等效电路返回(fnhu)berbeUBEIBubeib=rbe=ibec+-+-uceubeicb第34

17、页/共48页第三十四页，共49页。输出(shch)回路微变等效电路iC 0uCEICQUCEI CUCE=IBIC rce=I CUCE第1章上页下页iC=ib 返回(fnhu)ic=ib受控恒流源ICIBCeibrce第35页/共48页第三十五页，共49页。e第1章上页下页返回(fnhu)ibec+-+-uceubeicbebibicrceib等等效效模模型型cuceuberbe+bibiCcib简简化化模模型型ubeucerbe+第36页/共48页第三十六页，共49页。绝缘绝缘(juyun)(juyun)栅场效应晶栅场效应晶体管体管 基本结构基本结构(jigu)(jigu)和工作原理和工作

18、原理第1章上页下页返回(fnhu)特性曲线和主要参数特性曲线和主要参数 简化的小信号模型简化的小信号模型概述概述第37页/共48页第三十七页，共49页。第1章上页下页返回(fnhu)场效应晶体管是利用电场效应来控制(kngzh)电流的一种半导体器件，绝缘栅型场效应管的应用最为广泛，这种场效应管又称为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS）。P沟道增强型耗尽型N沟道增强型耗尽型 按其导电类型可将场效应晶体管分为N沟道和P沟道两种，按其导电沟道的形成过程可分为耗尽型和增强型两种。因而就出现了四种不同形式的场效应晶体管，它们是：第38页/共48页第三十八页，共49页。基本基本(jbn)(jbn)结构和

19、工作原理结构和工作原理1.结构(jigu)BG栅极(shn j)D漏极SiO2BDGSP型硅衬底S源极N沟道增强型结构示意图图形符号第1章上页下页返回N+N+第39页/共48页第三十九页，共49页。2.工作(gngzu)原理 D与S之间是两个PN结反向(fn xin)串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。(1)UGS=0结构(jigu)示意图衬底引线BUDSID=0GDSP型硅衬底SiO2栅源电压对导电沟道的控制作用第1章上页下页N+N+返回第40页/共48页第四十页，共49页。(2)0 UGS UGS(th)栅极下P型半导体表面形成(xngchng)N型导电沟道。当D、S

20、加上正向电压(diny)后可产生漏极电流ID。N+N+SiO2GDS耗尽层BP型硅衬底UGSN型导电(dodin)沟道ID第1章上页下页返回UDS第42页/共48页第四十二页，共49页。由上述讨论(toln)可知:UGS愈大，导电沟道愈厚,在UDS电压(diny)作用下,电流ID愈 大。即通过改变电压(diny)UGS的大小可以改变漏极电流ID的 大小。随着栅极电压UGS的增加，导电沟道不断(bdun)增加的场效 管称为增强型场效应管。场效应管只有一种载流子参与导电,故称为单极型晶 体管。普通晶体管中空穴和电子两种载流子参与导电 称之为双极型晶体管。上页第1章返回下页第43页/共48页第四十三

21、页，共49页。上页第1章返回(fnhu)下页 0UDS/v10201234ID/mAUGS=0 VUGS=-1 VUGS=-2 VUGS=1 V可变电阻区 线性放大区N沟道耗尽型MOS管的特性(txng)曲线ID/mA0UGS/V-212UDS=10 VIDSS输出特性转移(zhuny)特性 特性曲线和主要参数特性曲线和主要参数第44页/共48页第四十四页，共49页。上页第1章返回(fnhu)下页增强型MOS管的转移(zhuny)特性NMOS管PMOS管UGS 0IDUGS（th）UGS 0IDUGS（th）第45页/共48页第四十五页，共49页。主要参数主要参数上页第1章返回(fnhu)下页

22、夹断电压UGS(off)：是耗尽型场效应管当ID为一微小电流时的栅源电压。*最大漏源击穿电压U(BR)DS:漏极和源极之间的击穿电压。*最大漏极电流IDM，最大耗散功率PDM 。*低频跨导gm：在UDS为某一固定值时，漏极电流的微小变化和相应的栅源输入电压变化量之比。*栅源直流输入电阻RGS：栅源电压和栅极电流的比值。*开启电压UGS(th)：是增强型场效应管当漏源之间出现导电沟道时的栅源电压。*饱和漏电流IDSS：耗尽型场效应管在UGS=0的情况下，当漏源电压大于夹断电压时的漏极电流。*第46页/共48页第四十六页，共49页。第1章上页返回(fnhu)简简化化(j(ji in nh hu u

23、)模模型型BGSD 简化的小信号简化的小信号(xnho)(xnho)模型模型SDUGS+GgmUGS ID由于MOS管的栅源输入电阻很大，故可认为G、S间是开路的。说明第47页/共48页第四十七页，共49页。感谢您的观看(gunkn)！第48页/共48页第四十八页，共49页。内容(nirng)总结二极管的特性和主要参数。N区的电子向P区扩散并与空穴复合。在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。区和一部分正 离子(lz)中和。即在PN结上加正向电压时，PN结。死区电压：硅管约为：0.5V,锗管约为：0.1V。导通时的正向压降：硅管约为:0.6V0.8V,锗管约为:0.2V0.3V。二极管的静态电阻和动态电阻。为负,低于6V的UZ为正。1.2.1 基本结构和电流放大作用第四十九页，共49页。