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1、半导体器件及其特性,第1章机械工业出版社同名教材配套电子教案,第1章 数字逻辑基础,1.1 普通二极管,1.1.1 PN结,半导体的导电特性,掺杂特性。,热敏和光敏特性。,数字信号,N型半导体,P型半导体,4价元素掺入微量5价元素后形成。,多数载流子：电子；少数载流子：空穴。,4价元素掺入微量3价元素后形成。,多数载流子：空穴；少数载流子：电子。,图1-1 本征半导体与掺杂半导体结构示意图 a)本征半导体 b)N型半导体 c)P型半导体,数字电路的特点,图1-2 PN结的形成 a)载流子的扩散运动 b)平衡状态下的PN结,形成过程和原理：,扩散。,形成空间电荷区和内电场。,内电场阻止扩散运动，
2、促进漂移运动。,PN结内电场电位差：硅材料约0.5 0.7V，锗材料 约0.2 0.3V。,PN结单向导电性,加正向电压导通。,加反向电压截止。,图1-3 外加电压时的PN结 a)正偏 b)反偏,1.1.2 二极管,正向特性,二极管的伏安特性,死区段。,导通段。,反向特性,饱和段。,击穿段。,图1-5 PN结伏安特性,数学表达式：,IS：PN结反向饱和电流；,UT为温度电压当量：UT 26mV（T=300K）。,硅二极管与锗二极管伏安特性的区别,硅管的死区电压比锗管大，硅管导通正向压降比锗大。,硅管的反向饱和电流IS比锗管小得多。,图1-6 硅二极管与锗二极管伏安特性,温度对二极管伏安特性的影
3、响,温度升高后，二极管死区电压Uth和导通正向压降Uon下降（正向特性左移）。,温度每升高1，Uon约减小22.5mV。,温度升高后，二极管反向饱和电流IS大大增大（反向特性下移）。,温度每升高10，反向饱和电流约增大一倍。,图1-7 温度对伏安特性的影响,二极管的主要特性参数,最大整流电流IF,最高反向工作电压URM,反向电流IR和反向饱和电流IS,最高工作频率fM,理想二极管,理想二极管模型,恒压降模型,图1-8 理想二极管的伏安特性a)理想二极管模型 b)恒压降模型,【例1-2】已知电路如图1-10a、b所示，VD为理想二极管，E=5V，ui=10Sint（V），试分别画出输出电压uO波
4、形。,图1-10 例1-2电路,解：（1）图1-10a电路：,VD导通时，UD=0，按uO=UD+E=E=5V。,VD截止时，电阻中无电流流过，UR=0，按uO=UR+ui=ui=10Sint（V）。,VD端正极电压大于5V时，VD导通；小于5V时，VD截止。画出uO波形如图1-10c所示。,例1-2电路及ui、uO波形,（2）图1-10b电路：,二极管VD导通时，uO=UD+ui=ui,二极管VD截止时，uO=UR+(-E)=-E=-5V,VD端正极电压大于-5V时导通，小于-5V时截止，画出uO波形如图1-10d所示。,例1-2电路及ui、uO波形,解题说明：求解含有理想二极管电路时，可先
5、判断二极管导通还是截止。若二极管导通，则用短路导线替代二极管VD；若二极管截止，则将二极管开路。然后按一般线性电路分析计算。,1.2 特殊二极管,1.2.1 稳压二极管,伏安特性,与普通二极管的伏安特性相似。区别在于反向击穿特性很陡，反向击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化却很小。,图1-13 稳压二极管符号及伏安特性 a)符号 b)伏安特性,稳压工作条件,电压极性反偏；,有合适的工作电流。,主要特性参数,稳定电压UZ。,稳定电流IZ。,最大耗散功率PZM和最大工作电流IZM。,动态电阻rZ。,稳压管的质量参数，rZ越小，稳压管稳压特性越好。,电压温度系数Z,发光二极管,正
6、向压降大多在1.5V2V之间；,工作电流为几mA几十mA，亮度随电流增大而增强，典型工作电流10mA；,图1-14 发光二极管符号及电路a)符号 b)应用电路,1.3 双极型三极管,1.3.1 三极管慨述,基本结构和符号,图1-18 NPN型三极管的结构和符号a)结构示意图 b)符号,图1-19 PNP型三极管的结构和符号a)结构示意图 b)符号,分类,按极性分：NPN型和PNP型；,按半导体材料分：硅三极管和锗三极管；,按用途分：放大管、开关管、功率管等；,按工作频率分：低频管和高频管；,按功率大小分：小功率管和大功率管；,电流放大原理,三极管内部载流子的传输过程,图1-20 NPN型三极管
7、中载流子运动及各电极电流,电流分配关系,电流放大功能,也可写成：,1.3.2 三极管的特性曲线和主要参数,三极管电路的三种基本组态,图1-21 三极管三种基本组态电路a)共射极 b)共基极 c)共集电极,共发射极特性曲线,输入特性曲线,1）定义：,2）特点：,是一族曲线，uCEV的那一条可以作为代表。,与二极管正向伏安特性曲线相似。,放大工作状态时，硅管uBE约为0.60.7V，锗管约0.20.3V。,图1-22 NPN型三极管共发射极电路输入特性曲线,输出特性曲线,1）定义：,2）特点：,是一族曲线，对应于每一iB都有一条输出特性曲线。,当uCE1V后，曲线比较平坦，即iC不随uCE增大而增
8、大。,当iB增加时，曲线上移，表明对于同一uCE，iC随iB增大而增大，这就是三极管的电流放大作用。,图1-22 NPN型三极管共发射极电路输出特性曲线,三极管共射电路工作状态,图1-23 三极管3个工作区域,放大区,条件：发射结正偏，集电结反偏。,特点：iCiB，iC与iB成正比关系。,截止区,条件：发射结反偏，集电结反偏。,特点：iB0，iCICEO0,饱和区,条件：发射结正偏，集电结正偏。,特点：iC与iB不成比例。即iB增大，iC很少增大或不再增大，达到饱和，失去放大作用。,击穿区,击穿区不是三极管的工作区域。,三极管的主要参数,电流放大系数,ICEO与ICBO的关系：,图1-24 三
9、极管极间反向电流a)ICBO b)ICEO,集电极最大允许电流ICM,集电极最大允许耗散功率PCM,集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,饱和压降UCES,特征频率fT,图1-25 ICEO、U(BR)CEO和UCES,图1-26 三极管PCM曲线,三极管安全工作区,图1-27 三极管安全工作区,【例1-4】已测得三极管各极对地电压值为U1、U2、U3，且已知其工作在放大区，试判断其硅管或锗管？NPN型或PNP型？并确定其E、B、C三极。,U1=5.2V，U2=5.4V，U3=1.4V；,U1=-2V，U2=-4.5V，U3=-5.2V。,解：PNP型锗管，U1、U2、U3引脚分别对应B、E、
10、C极；,NPN型硅管，U1、U2、U3引脚分别对应C、B、E极。,分析此类题目的步骤是：,确定硅管或锗管，确定集电极C。,三极管工作在放大区时UBE：硅管约0.60.7V，锗管约0.20.3V。据此，可寻找电压差值为该两个数据的引脚。若为0.60.7V，则该管为硅管；若为0.20.3V，则该管为锗管，且该两引脚为B极或E极，另一引脚为C极。,题中U1 U2、题中U2 U3符合此条件，因此可确定：题为锗管，U3引脚对应C极；题为硅管，U1引脚对应C极。,确定NPN型或PNP型。,三极管工作在放大区时，满足CB结反偏条件，NPN型C极电压高于BE极；PNP型C极电压低于BE极。因此比较C极电压与B
11、E引脚电压高低，可确定NPN型或PNP型。,题中U3低于U1 U2，为PNP型；题中U1高于U2U3，为NPN型。,区分B极和E极。,三极管工作在放大区时，NPN型各极电压高低排列次序为UCUBUE；PNP型各极电压高低排列次序为UCUBUE。,题中U1为B极，U2为E极；题中U2为B极，U3为E极。,【例1-5】已测得电路中几个三极管对地电压值如图1-31，已知这些三极管中有好有坏，试判断其好坏。若好，则指出其工作状态（放大、截止、饱和）；若坏，则指出损坏类型（击穿、开路）。,图1-31 例1-5电路,解：a）放大；b）饱和；c）截止；d）损坏，BE间开路；e）BE间击穿损坏或外部短路；或三
12、极管好，处于截止状态；f）饱和；g）放大；h）截止。,分析此类题目的判据和步骤是：,判发射结是否正常正偏。,凡满足NPN硅管UBE=0.60.7V，PNP硅管UBE=-0.6-0.7V；NPN锗管UBE=0.20.3V，PNP锗管UBE=-0.2-0.3V条件者，三极管一般处于放大或饱和状态。不满足上述条件的三极管处于截止状态，或已损坏。,a）、b）、f）、g）满足条件；c）、d）、e）、h）不满足条件。,区分放大或饱和。,区分放大或饱和的条件是集电结偏置状态：,集电结正偏，饱和，此时UCE很小，b）、f）满足条件；,集电结反偏，放大，此时UCE较大，a）、g）满足条件。,但若NPN管UCUE
13、，PNP管UCUE，则电路工作不正常，一般有故障。,若UC=VCC（电路中有集电极电阻RC），说明无集电极电流，C极内部开路。,若发射结反偏，或UBE小于中数据，则三极管处于截止状态或损坏。,c）、e）、h）属于这一情况。,若满足发射结正偏，但UBE过大，也属不正常情况，如d）。,1.4 场效应管,场效应管只有一种载流子（多数载流子）参与导电，称为单极型晶体管。,分类,从结构上可分为结型和MOS型(绝缘栅型)。,从半导体导电沟道类型上可分为P沟道和N沟道。,从有无原始导电沟道上可分为耗尽型和增强型。,内部结构和工作原理,利用电场效应原理，用输入电压开启、夹断或改变导电沟道宽窄，从而控制输出电流
14、的大小。,特性曲线,转移特性,1）定义：,2）特点：,为一族曲线。|uDS|UGS(off)|后，曲线族基本重合。,也有死区，分别称为夹断电压UGS(off)(结型、耗尽型MOS适用)和开启电压UGS(th)(增强型MOS适用)。,IDSS一般为场效应管最大电流。增强型MOS无IDSS参数。,3）数学表达式,结型、耗尽型MOS：,增强型MOS：,图1-32 N沟道场效应管转移特性,输出特性,1）定义：,图1-33 N沟道场效应管输出特性曲线a)结型 b)耗尽型MOS c)增强型MOS,2）特点：,类似于三极管输出特性曲线。,N沟道结型、耗尽型NMOS最下面一条输出特性曲线(最靠近横轴)和P沟道
15、结型、耗尽型PMOS最上面一条输出特性曲线的参数为：uGSUGS(off)。N沟道结型最上面一条(P沟道结型最下面一条)输出特性曲线的参数为：uGS0。,场效应管三个工作区域,图1-34 场效应管3个工作区域划分,场效应管主要参数,夹断电压UGS(off)或开启电压UGS(th),饱和漏极电流IDSS,低频垮导（互导）gm,gm反映了uGS对iD控制能力，单位西(门子)，用S表示(S=1/)。,由于场效应管的漏极和源极结构对称，因此漏、源极可互换使用。,场效应管与三极管性能比较,输入电阻大大高于三极管。,结型场效应管输入电阻约107；,MOS场效应管输入电阻可高达1015。,场效应管热稳定性比三极管好。,场效应管制造工艺简单，成本低，便于大规模集成。,场效应管是电压控制元件，用栅源电压uGS控制输出电流iD（相当于三极管用iB控制iC）。反映场效应管放大控制能力的是低频垮导gm（相当于三极管的）。,测试：不能用万能表测试MOS场效应管，必须用测试仪。任何时候，栅极不能是悬空。,场效应管安全使用常识,保存：应将各极短路保存。,焊接：电烙铁应良好接地。,
