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1、第 1 章 半导体器件,第1章 半导体器件 1.1 半导体基础 1.2 半导体二极管 1.3 稳压二极管 1.4 晶体三极管 1.5 场效应管,第1章 重点,PN结的形成及其单向导电性二极管的伏安特性三极管的工作原理与伏安特性场效应管的工作原理、特性曲线,1.1 半导体基础,1.1.1 半导体,导体：很容易导电的物质。如：金属等绝缘体：几乎不导电的物质。如：橡皮、陶瓷、塑料、石英等半导体：导电特性处于导体与绝缘体之间的物质。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等,当受外界热和光等作用时，它的导电能力明显提高。,纯净的半导体中掺入某些杂质后，会使它的导电能力明显提高。,现代电子学中，用的最多的半
2、导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,1.本征半导体,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子共用一对价电子，它们之间形成共价键。,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,硅和锗的晶体结构,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的
3、最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,本征半导体的导电机理,空穴吸引临近的电子对中的电子来填补，这样的现象，结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为：空穴也是载流子。载流子：自由电子，空穴。成对出现，成对消失。,空穴,自由电子,束缚电子,热激发,2.杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。,N型半导体,多余电子,
4、磷原子,P型半导体,空穴,硼原子,杂质半导体的示意表示法,1、本征半导体中为什么成对产生自由电子和 空穴?2、N型半导体中的载流子是什么？自由电子称为多数载流子（多子），空 穴 称为少数载流子（少子）。3、P型半导体中的载流子是什么？自由电子称为少数载流子（少子），空 穴 称为多数载流子（多子）。4、多数载流子由什么决定？少数载流子由什么决定？,多子扩散运动少子漂移运动,空间电荷区,耗尽层,阻挡层,1.1.2 PN结的形成,结合浓差多子扩散界面复合,空间电荷区形成内电场E方向(NP)静电场作用a.阻碍多子扩散,但是扩散愈多E愈强;b.利于少子漂移,但漂移愈多，E愈弱。最终动态平衡,稳定.耗尽,
5、阻挡层,空间电荷区PN结,PN结,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,P型半导体,N型半导体,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,电位V,V0,PN结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流，PN结导通。,1.1.3 PN结的单向导电性,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流，PN结截止。,PN结的单向导电性,正向偏置PN结导通,反向偏置 PN结截止,少子漂移电流(微),(P区高电位、N区低电位),(P区低电位、N区高电位),多子扩散电流（大）,1.2 半导体二
6、极管,1.2.1 结构和类型PN结加上引线和管壳，就成为半导体二极管。,1.2.2 伏安特性,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),线性工作区,门坎区死区,反向饱和区,反向击穿区,死区电压 硅管0.6V锗管0.2V,1.2.3 主要参数,1、最大整流电流 IF长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压URM允许施加的最高反向电压，为击穿电压UBR的一半左右。3、反向电流 IR指二极管加反向工作电压时的反向电流。反向电流越小越好。受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。4、最高工作频率f
7、M,势垒电容和扩散电容的综合效应,1.2.4 理想二极管,含义：正偏时，二极管完全导通（死区电压为零，正向管压降为零，正向导通电阻为零），相当于开关闭合导通；反偏时，二极管完全截止（反向电流为零，反向电阻为无穷大），相当于开关断开、开路。,相当于理想的开关。,二极管的应用是主要利用它的单向导电性。包括整流、限幅、保护、检波、开关、信号处理等等。,1.2.5 主要应用,例1：二极管的应用,例2：二极管的应用：,假设截止法(反证,确定二极管通断)1.断开V,2.绘V+,V-波形,3.比较,V+V-二级管导通(短路处理)V+V-二级管截止(断开处理),例3：二极管的应用：求ID,1.判断二极管是否导
8、通？方法：先断开二极管，再求电压U。2.求ID,例4：二极管的应用：,2.7,2.7,8.7,2.7,已知两个二极管的管压降均为0.7V，求UF。,抢先导通,1.3 稳压二极管,U,稳压误差,-,曲线越陡，电压越稳定。,特点：1、通常工作在反向击穿区；2、反向击穿特性较陡。,伏安特性,主要参数1、稳定电压 UZ；2、稳定电流IZ；最大稳定电流IZM；3、电压温度系数CTU（UZ%/）；4、最大允许功耗PZM=UZIZM；5、动态电阻RZ；越小输出电压越稳定。,限流电阻R=？,并联稳压电路,电流调节：DZ电压调节：R,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,发光二极管,有正向电流流过时，发
9、出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,正向电压比较大,光电耦合器,电 光电特点：输入与输出电气绝缘作用：抗干扰、隔噪声,应用举例：,220V,+5V,思考题1、本征半导体是如何导电的？2、N型半导体中的多数载流子是什么？P型半导体呢？3、多数载流子与什么有关？少数载流子呢？4、PN结加什么电压使空间电荷区变窄？有利于什么运动？5、稳压二极管与普通二极管的区别在哪里？6、二极管的死区电压是什么的反映？7、半导体器件的性能为什么受温度的影响比较大？8、什么叫PN结的单向导电性？9、怎样用万用表判断二极管的极性？10、二极管能否起稳压作用？如能，
10、试说明。,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：体积大,发射区：掺杂浓度较高,集电结面积较大,发射结,晶体管放大的外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。,晶体管放大的内部条件：,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子成为基区的非平衡少子，漂移进入集电结而被收集，形成IC。,1.4.2 晶体管的电流放大作用,放大状态下电压和电流实际方向,1.4.3 晶体管的特性曲线,实验线路,工作压降：硅管UBE0.60.7V锗管UBE-0.2-0.3V,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,1、
11、输入特性（同二极管）,当UCE大于一定的数值时，IC基本只与IB有关，IC=IB。,条件：发射结正偏,集电结反偏。功能：放大,IC(mA),线性放大区,2、输出特性,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCES0.3V称为饱和区。,条件：发射结正偏集电结正偏功能：RCE 0近似电子开关接通,饱和区,此区域中:IB=0,IC=ICEOUBE 死区电压，称为截止区。,条件：发射结反偏集电结反偏IB=0功能：RCE 近似电子开关断开,截止区,RC=3k，RB=200k，=100，,1）IB，IC.判断三极管是否处于放大状态.2）当RB=100k时，三极管是否处于放大状态？,例1.,求：,已知
12、,UBE=0.7V,EC=10V,EB=5V,解：1）,I c IB,UCE=EC ICRC102.1533.55V UBE=0.7V,说明发射结正偏，集电结反偏，故三极管处于放大状态。,2).,集电极临界饱和电流：,基极临界饱和电流：,IBS I c/=33 A,当RB=100k时，基极电流：,IBS,故三极管处于饱和状态。,测得在放大状态的两个三极管的电位分别为：2.5V、3.2V、9V 和0.7V、1V、6V，试判断这两个三极管的类型和管脚。,解：,三极管在放大状态。说明发射结正偏，集电结反偏。,对NPN：UBE 0、UBC 0。,说明 VC VB VE,NPN型三极管一般为硅管UBE=
13、0.7V，PNP型三极管一般为锗管UBE=0.3V,B,E,C,B,E,C,对PNP：UBE 0。,则为 VC VB VE,例2.,1.电流放大系数=Ic/Ib=IC/IB(一般40-200)2.集-基反向饱和电流ICBO(CB之间PN结反向电流)3.穿透电流ICEO=(1+)ICBO,1.4.4 主要参数,参考：穿透电流ICEO的形成,IC,IB,ICUCE=PCM,安全工作区,4.集电极最大电流ICM5.集射反向击穿电压UCEO6.集电极最大耗散功率PCM,1.4.5温度对三极管参数影响,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，称为单极型晶体管，是电压控制电流器件。输入阻抗高，温度稳定性
14、好。,1.5.1场效应管的基本结构、分类,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,1.55节 场效应管,金属铝,导电沟道,N沟道增强型,N沟道耗尽型,予埋了导电沟道,P沟道增强型,P沟道耗尽型,予埋了导电沟道,UGS=0时,D-S间相当于两个PN结,对应截止区,1.5.2MOS管的工作原理,绝缘层,金属铝膜,UGS0时,感应出电子,VT称为阈值电压,UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。,UGS产生电场如图，吸引电子排斥空穴形成反型层。又叫感生沟道。,UDS增加，UGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,增强型N沟道MOS管的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,1.5.3场效应管的特性曲线,耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,转移特性曲线,输出特性曲线,思考题1、晶体管放大的内部条件和外部条件是什么？2、晶体管有哪些工作状态？3、晶体管为什么可作为开关元件使用？4、温度对晶体管的性能参数有什么影响？5、怎样用万用表判别晶体管的类型和管脚？6、增强型MOS管与耗尽型MOS管有何区别？7、跨导指什么？,P34 1.6.9 1.6.14 1.6.18,P32：1.6.1;1.6.2；1.6.5；1.6.7,习题：,
