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半导体基本器件

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半导体基本器件

第二章半导体基本器件内容提要【了解】半导体的相关知识【熟悉】二极管(即PN结)的单向导电性及主要参数【了解】三极管的电流放大原理【熟悉】三极管输出特性曲线的三个工作区及条件和特点、主要参数【了解】MOST的工作原理、相应的三个工作区以及与三极管的性能 区别一. 一.网上导学二. 二.典型例题三. 三.本章小结四. 四.习题答案 网上导学:了解半导体基础相关知识:1.半导体(导电性能介于一);2.本征半 导体(纯净,晶体)、共价键(共用电子对);热激发:自由电子-空穴 对、载流子、复合、浓度(微量,温度影响)与掺杂半导体:N型(五 价磷)、P型半导体(三价硼)、多子、少子;3.PN结:扩散、不能 移动的离子、空间电荷区、内电场 EIN、阻挡层、漂移、动态平衡。(p38p41)瞰1百|« ffbTE本征半导体 掺杂半导体(a)多子扩散(b)PN空间电荷区结PN结形成和单向导电性p41(b)反向偏置一. 一. PN结(二极管)的单向导电性:(a)正向偏置单向导电性囲n.£i(空间电荷区的调节作用);1. PN结内部扩散和漂移的动态平衡2. 外加电压(外电场)打破原有的平衡(加正向偏压,削弱了内电场的作用,有利于扩散,形成较大的正向电流,导通;加反向偏压,增强 了内电场的作用,有利于漂移,形成微弱的反向电流,截止 );12 / 11CDUN L2V)T-号、3. 熟悉PN结(即二极管)的伏安特性(iu):硅和错的导通电压 UON 分别为0.5V和0.1V、正向电压降UD分别为0.60.8V和0.1 0.3V, 击穿电压U(RB)、二极管符号、主要参数(p43,最大正向电流IF、 反向击穿电压U(RB)、反向电流IR等)及应用(数字:开关;模拟: 整流、限幅);稳压管:正常工作在反向击穿状态,为了使稳压管 不会因过流而损坏,应当在电路中加限流电阻(见图2.1.9),主要参数UZ IZ、IZM。二极管、三极管和 MOSt稳压管电路12. 1.9. gife(1)发射结正偏,其正向电流主要是由发射I&因为发射区重掺杂而基区掺*了解三极管电流放大原理:区的多子向基区扩散所形成的电流杂浓度很低,故基区的多子向发射区扩散可以忽略);(2)注入到基 区的多子在基区的复合和继续扩散;(3)复合所形成基极复合电流 IBN( - IB)很小,大部分扩散被集电结反向偏置电场吸引到集电区,形成较大的集电极收集电流ICN( - IC)(因为基区薄、掺杂浓度低 集电结反偏)。从而实现了三极管电流放大作用即 B =IC/IB1。三 极管的电流放大作用就是利用发射区注入的多子在基区的扩散电 流(IC)大大超过复合电流(IB)而实现的;了解三极管的两种类型 (NPN,PNP)。两种类型 砸亶二. 三极管三个工作区(截止、放大、饱和)条件和特点、输出特性曲线:p481. 截止区:当ui v UON截止区,iB0,iC0;2. 放大区:当 ui > UON且 UB< UC或 iB v IBS,放大区,iC二 B iB ;5崗LA3.饱和区:当ui > UON,且UB >UC,或iB >IBS,饱和区,uCE二UCES0。(a)电路(b)输出特性曲线输出特性曲线了解三极管的主要参数(p50)和应用(2.2.1 P51)以及三极管放大 电路的三种组态(P54)。了解MOS管的工作原理(NMOS管)和相应的三个工作区(夹断区、 可变电阻区、恒流区P57)以及与三极管的差别(单、双极型,电压、 电流控制电流源,输入电阻高、低)。典型例题分析下图所示电路在输入电压 Ui为以下各值时,判断晶体管的工作状态(放大、截止或饱和状态)。 (l)Ui二0;(2)Ui=3V;(3)Ui= 5V。提示:把图中虚线框内的电路用戴维南定理化简后再分析。r:io1 nnua50右-SVI解求图中虚线框内的电路用戴维南等效电路表示:UOC=Ui*40心0+40)+U SBW(10+40)=0.8 Ui+0.2 U SB (迭力口 定理)RO =40 / 10 =40*10/(40+10) =8 Q ;(1) Ui= 0, U OC=0.8*0+0.2*(-5)=-1V v UON硅管为 0.5V) 一 ,三极管截止;(2) Ui二 3V, UOC=0.8*3+0.2*(-5)=1.4V >UON三极管工作在放大 或饱和状态 ,求 ICS=(USC-UCES)/RC USC/RC=10/仁10mA,则ICS/ p=10/50=0.2mA,求 IB=( U0C-UBE)/R0=(1.4-0.7)/8=0.0875mA v ICS/ p ,故工 作在放大状态;(3) Ui= 5V, UOC=0.8*5+0.2*(-5)=3V >UON ,求 IB=(3-0.7)/8=0.2875mA >ICS/p , 故 工作在饱和状态。本章小结一、半导体二极管由P型和N型半导体组成的PN结具有单向导电性。 二极管分为硅管和错管两种类型。硅管的导通电压约为0.5V,管子导通后管压降约为0.60.8V;错管的导通电压约为0.1V,管子导通 后管压降约为00.3V。二极管在模拟电路中常作为整流元件或非 线性元件使用;在数字电路中,常作为开关元件使用。二、晶体三极管是一种电流控制电流源型器件, 其输出特性曲线 分为截止区、放大区和饱和区。NPN型硅管,当uBE< 0.5V时,管子截止,即iB=0 , iC =0; 当 UBEO.7V 且 uCE= UCES=0.3Vt(UCV UB或 iB >IBS= IBS/ p=(Uc- UCES)/(Rc* p),管子处于饱和状态,当 uBE0.7V且uCE> 0.3V时 (UC> UB或iB v IBS,管子处于放大状态,且iC= pB。管子的放大 区多应用于模拟电路,截止区及饱和区多应用于数字电路。三、MO场效应管是一种电压控制电流源型器件。 控制量取自G S极电压而不是电流iGoMOST的输入电阻rGS值很高约为109-1012j iG P。MOS管的输出特性曲线分为夹断(截止)区、恒流区和可变 电阻区。增强型NMO管的uGS< UTN时,管子截止,iD P。当uGS> UTN时时,管子导通,若uDS值较小,则工作于可变电阻区,D S极 之间相当于一个小值电阻rDS(ON);若uDS值较大,则工作于恒流区, iD不随uDS的变化而变化。管子的恒流区多用于模拟电路,而夹断 区、和可变电阻区多用于数字电路。对于二极管、三极管及场效应管,都应掌握它们的特性曲线及主要 参数。本章重点、难点:重点:PN结的单向导电性,三极管(NPN管)的三个工作区的条件和特点; 难点 :三极管电流放大原理、 MOS 场效应管的工作原理。习题、答案 习题 思考题1什么是二极管的单向导电性?2理想二极管指的是什么?3什么是二极管的反向恢复时间?4稳压二极管电路中的限流电阻有何作用?5共发射极三极管电路的放大作用是如何实现的?6如何判断三极管工作状态:截止区?放大区?还是饱和区?7三极管的开启时间和关闭时间指的是什么?8. MOS场效应管的开启电压是什么?9. 如何判断NMO场效应管的工作状态:截止区?恒流区?还是可变 电阻区?10. MOS场效应管的跨导gm是如何定义的?11. MOS场效应管的导通电阻rDS是如何定义的?在可变电阻区和恒 流区 rDS 值是否相同?填空题1 , N型半导体中的多数载流子是。2 . PN结具有导电性。3 .半导体二极管、三极管有硅管和管。4 .硅管二极管的导通电压 UON约为,导通后其管压降约为;错管的UON勺为,导通后其管压降约为。5 .理想二极管导通时,其管压降 UD、其等效电阻rD=6 .三极管是一种电控制器件。7 .在NPN型硅三极管输出特性曲线上,截止区:uBE<,iB=, iC =;在放大区:uBE _, UC_UBp=;在饱和区:uBE=0.7V, uCE=UCE其值约为, iBS>, UcUB8 .场效应管是一种电控制器件。9 .场效应管的输入电阻rGS约为為是高值电阻,因此栅极电流入IC二。10 .从增强型NMO场效应管的转移特性曲线中,易于找出电压的数值;在漏极特性曲线中,在夹断区:uGX, iD=;在恒流区:uG _且uDS值比较 ,电流iD受 控制,基本上与 值天关,rDS值很 ;在可变电阻区,uGS> 且uDS值比 较 ,导通电阻rDS(ON)的值约为 Qo跨导gm的定义为11 .场效应管的开关速度主要受管子的 电容影响,其数值通常在皮法拉级。练习题1. 1.*(2-1)在下图P1.1 (a)、(b)、(c)电路中,设二极管为理想二极管,输入电压ul=5sin(2 n<1000t)V,波形如图(d) 所示。试分别画出各电路uO波形。图 P1.12. 2.*(2-2) 一个NPN型硅三极管电路如图P1.2 (a)所示,其输出特性曲线如图 P1.2 (b)所示。试在(b)图上标出截 止区、饱和区及放大区。3. *(2-3)在上题中,在UCE=10.6V IB=30叭工作点处,估算管子的电流放大系数B值。4 . *(2-4)若已知一个三极管的集电极最大允许功耗 650mWV问:(I )当UCE=15V寸,其最大允许集电极电流IC二?(2)当UCE=0.3V寸,其最大允许集电极电流IC二?5 . *(2-5)在习题2中,若已知管子的导通电压 UON=0.6V管子导通后UBE=0.7V UCES=0.3V, B使用习题3计算的结果。若 输入电压出为幅值为5V,频率为1kHz的脉冲电压源,试分析:(I )电路在u匸UIL=OV和u匸UIH=5V时的工作状态(截止,饱 和,放大?)(2) 若固定Rb值不变,求电路工作在临界饱和区时 Rc最小值。(3) 着固定Rc值不变,求电路工作在临界饱和区时 Rb最大值。6 . *(2-6)对于图P2.2所示电路和输出特性曲线,若已知Rb=40IQ Rc=2kQ, Uc=12V B=70。问 ul 的高电平 UIH 为何 值,才能使管子达到饱和状态。7.已知一个增强型NMO管转移特性和漏极特性曲线如图 P1.7所(1) 管子的开启电压UTN= ?(2) 在恒流区,估算当uGS从5.OV变化到5.5V时,管子的跨导 值gm。(3) 对于uGS=6V uDS大约为何值时,管子由可变电阻区进入到 恒流区?(4)在可变电阻区,取uGS=6V两个工作点上uDS,iD数值分别 为(0.4IV,113 4)、1.0V,250 识),试估计导通电阻 rDS(ON) 值。答案思考题I. 加正向偏压,有利于扩散,形成较大的正向电流,导通;加反向偏 压,有利于漂移,形成微弱的反向电流,截止。2. 视为理想开关,即正向导通时内阻rD=0和正向电压峰UD=0, 反向截止时IR=0(开路)。3. 由导通状态变为截止状态所经历的时间 , 即 tre 。4. 使稳压管不会因过流而损坏。5. 是利用发射区注入的多子在基区的扩散(IC)大大超过复合 (IB) 而实现的。6. 当ui v UON截止区,iB0,iC0;当 ui > UON且 UB< UC,或 iB v IBS,放大区,iC= p iB ; 当 ui >UON且 UB>UC,或 iB >IBS,饱和区,uCE=UCES7. ton(开启)=td(延迟)+t t(上升),toff( 关闭)=ts(存 储)+tf(下降)。8. 开启电压V:当增强型MOSf栅源电压UGS增加到一定数值(N沟道 为正值,P沟道为负值)即开启电压V时,在栅极下面的衬底表面才 开始形成导电沟道,产生漏极电流ID,并受uGS控制。9. 当NMO管的uGS< UTN工作在夹断区,ID =0, D、S极间相 当于“开路”;当NMO管的uGS> UTN且 uDS值较小,工作在可变电阻区,此时D S 极间的等效电阻rDS较小,且随uGS增大而变小; 当NMO管的uGS>UTN且 uDS值较大,工作在恒流区,ID = uGS*gm。10. MOS管的 gm=A ID/ UGS|UDS常数。II. MOS1的导通电阻rDS=A UDS/A ID|UGS=常数,在恒流区rDS值很 大,在可变电阻区rDS值较小。填空题1自由电子;2.单向;3.错;4.0.5V, 06 0.8V, 0.1V, 0.1-0.3V; 5.0, 0; 6.流;7.UON, 0, 0; >, iC/iB, 0.3V, ICS/ p , v ; 8.压; 9.109-1012, 0; 10.UTN, UTN, 0, UTN,大,uGS, uDS,大,UTN,小, 数百,AID/ UGS|UDS常数;11.结。练习题*(2-1)1.提示:依据二极管单向导电性及理想二极管的的特点(导通时rD=0,截止时开路)(a)、(c )(b)* (2-2) 2.提示:根据三极管三个工作的条件和特点画出.(2-3)3 .提示:此题由输出特性曲线可以直接求得p =AIC/ 0BIC/IB,但与公式法求解(因为Uce=10.6V>Ube,所以该管工作在放大 区)IC/IB=(Ucc-Uce)/Rc - IB=(12-10.6)/2 - 0.03=23.3 相差甚 远,该命题欠妥当。解:从图P1.2中可以看出,在 UCE=10.6V、IB=30卩A工作点处,根据 B =AIC/ AIB=6-0)/(0.06-0)=100。*(2-4)4. 提示:理解集电极最大允许功耗 Pcm 的含义及公式 Pc=Ic*U CE解:v Pc=lc*UCE当UCE=15V寸,其最大允许集电极电流 IC=650/15=43.3mA; 当UCE=0.3V时,其最大允许集电极电流IC=650/0.3=2.16A。*(2-5)5. 提示:根据三极管三个工作区的条件和特点求解解:(1)在uI=UIL=0V时,因为ul v UON,所以三极管工作在截止状 态;在ul二UIH=5V时, 因为 ul > UON , 且IB=(5-0.7)/40=0.1075mA ,而 ICS=(12-0.3)/2=5.85mA , ICS/ B =5.85/100=0.0585mA, v IB >ICS/ B ,所以三极管工作在 饱和状态;(2)固定 Rb值不变,所以 IB=0.1075mA, ICS=0.1075*100=10.75mA, 贝卩 Rc=(12-0.3)/10.75=1.2kQ;(3) 固定 Rc值不变,所以 ICS=5.85mA IBS/ B =0.0585mA 贝S Rb=(5-0.7)/0.0585=73.5 k Q 。*(2-6)6. 提示:同上,根据三极管三个工作区的条件和特点求解 解:ICS=(12-0.3)/2=5.85mA, IBS=5.85/70=81.6 卩 A,(UIH-0.7)/40=0.0816 ,二UIH=4V时三极管才达到饱和状态。7. 提示:根据 MOS 管解:由图P1.7中可以得出的开启电压 UTN跨导gm和导通电阻rDS(ON)求解(1)(1)管子的开启电压 UTN=3V;(2)(2)跨导 gm=(320-200)/(5.5-5)=240mA/V;(3)(3)uDS大约为3V时,管子由可变电阻区进入到恒流区;(4)(4)rDS(ON)=(1.0-0.41)/(0.250-0.113)=4.3 kQ。

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