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1、(1-1),第 3 章基本电子器件,(1-2),半导体器件,1、半导体的基础知识，P型硅，N型硅2、PN结及半导体二极管3、稳压二极管4、半导体三极管5、场效应管,(1-3),（1）本征半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,1、半导体的基本知识,(1-4),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,在硅和锗原子结构中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,(1-5),形成共价键后，每个原子都与相邻的四个原子相结合，形成最外层有八个电子的稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,完全纯净
2、的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,由半导体制作的器件，就称为晶体管,(1-6),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。,(1-7),+4,+4,+4,+4,自由电子,自由电子带负电，空穴带正电。空穴很容易吸引相邻原子中的价电子来填补这个空穴，而在价电子原来的位置上形成新的空穴，.好像空穴在移动。,在外电场作用下，自由电子定向运动形成电子电流；空穴移动形成空穴电流。,自由电子和空穴称为载流子,所以，在本征半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴,空穴,(1-8),（2）
3、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。载流子：电子，空穴,P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）,N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）,(1-9),N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,(1-10),N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代。磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。,硅或锗+少量磷 N型半导体,多
4、数载流子：自由电子；少数载流子：空穴,所以，每个磷原子提供一个电子，多个磷原子提供多个电子。这种半导体又称为电子型半导体,(1-11),空穴,P型半导体,硼原子,硅原子,空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动,(1-12),P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可以吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。,硅或锗+少量硼 P型半导体,少数载流子：自由电子；多数载流子：空穴,一个硼原子提供一个空穴，多个硼原子提供多个空穴。所以，这种半
5、导体又成为空穴型半导体。,(1-13),杂质半导体的示意表示法,(1-14),（1）PN 结的形成,在同一块半导体基片上，一半制成P型半导体，另一半制成N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了一个特殊的区域，这个特殊的区域就是PN结。,2、PN结及半导体二极管,(1-15),P型半导体,N型半导体,扩散运动,漂移运动,空间电荷区,PN结处载流子的运动,(1-16),扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,漂移运动,P型半导体,N型半导体,PN结处载流子的运动,空间电荷区越宽,内电场越强，使得漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,(1-17),P型半导体,N型半导体,PN结处载流子的运
6、动,当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度就固定不变了。,(1-18),（2）PN结的单向导电性,PN结加上正向电压，即：P区加电源的正极、N区加电源的负极。称为正向偏值,PN结加上反向电压，即：P区加电源的负极、N区加电源的正极。称为反向偏值,(1-19),PN结正向偏置,内电场被减弱，使扩散加强，,P,N,+,内电场,扩散飘移，正向电流大,-,PN结处于导通状态,(1-20),PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场加强，使扩散停止，有少量飘移。,反向饱和电流很小，A级,内电场,PN结处于截止状态,(1-21),（3）半导体二极管,（一）、
7、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,D,(1-22),(二)、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),R,D,电路模型,正向特性,反向特性,(1-23),（三）静态电阻Rd，动态电阻 rD,静态工作点Q（UQ，IQ）,(1-24),静态电阻Rd，动态电阻 rD,静态电阻：Rd=UQ/IQ（非线性）,动态电阻：rD=DUQ/D IQ,在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻,(1-25),二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅),二极管起半波整流作用,例1：二极管的应用,二极管的作用：利用其单向导电
8、性，可用于整流、检波、限幅、元件保护以及数字电路中的开关元件等。,理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,(1-26),例2：二极管的应用,尖顶波,0t1期间:C被充电，D截止uo=0。在刚充电瞬间，i 最大，所以uR最大，充电结束，i0，uR0。所以为一正尖脉冲。,+-,t1t2期间:在t1瞬间，C经R和RL两路放电，D导通，uR和uo均为负尖脉冲;在t2瞬间，同上，uR为一正尖脉冲。,D起检波作用，去除正尖脉冲。,(1-27),（四）二极管的主要参数,1、最大正向电流IFM：二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。,2、最高反向工作电压URM：,3、反向电流IR：,二极管工作时的实际电
9、流IFIFM，否则，二极管会因过热而损坏。,二极管工作时的实际反向电压URURM，以防二极管被击穿。,二极管的质量指标之一，其值越小越好。,(1-28),3、稳压二极管,稳压二极管符号,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和 Izmin之间时,其两端电压近似为常数,正向同二极管,稳定电流,稳定电压,(1-29),稳压管的主要参数：,1、稳定电压UZ：当通过稳压管的电流为规定的测试电流IZ（稳压电流）时，稳压管两端的电压值。,UZ的分散性：例如，2CW14型稳压管在IZ=10mA时，UZ的允许值在67.5V之间。,3、最大稳定电流IZM：允许通过的最大反向电流,4、电压温
10、度系数aUZ：温度每升高10C时稳定电压的相对变化量。其值越小越好,(1-30),注意：要想使稳压管起稳压作用，稳压管必 须工作在反向偏置状态。,若稳压管正向偏置，则仅仅相当于一个普通二极管,例如：,(1-31),例题：有两只稳压二极管DZ1和DZ2，其稳定电压分别为5.5V和8.5V，正向压降均为0.5V。如果要想得到3V、6V、9V和14V几种稳定电压，这两只稳压管（还有限流电阻）应该如何联接？画出各个电路。,(1-32),4、半导体三极管,（1）基本结构,NPN型,PNP型,(1-33),基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,(1-34),发射结,集电结,(1-
11、35),三极管符号,T,T,(1-36),（2）电流放大原理,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。,(1-37),EB,RB,Ec,从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。,IC,ICBO,(1-38),三极管起电流放大作用的条件：,1、内部条件：发射区掺杂浓度大，基区掺杂浓度小，并且做的很薄。,2、外部条件：要使三极管起电流放大，必须使发射结正向偏置，集电结反向偏置。,二者缺一不可,(1-39),静态(直流）电流放大倍数,静态电流放大倍数，动态电流放大倍数,动态（交流）电流放大倍数,IB
12、：IB+IB,(1-40),（3）特性曲线,实验线路(共发射极接法),输入回路,输出回路,(1-41),IB 与UBE的关系曲线,（一）输入特性曲线：,死区电压，硅管0.5V,工作压降：硅管UBE 0.7V,(1-42),（二）输出特性曲线：IC与UCE的关系曲线,(1-43),输出特性,IC(mA),当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且 IC=IB。此区域称为线性放大区。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压,，称为截止区。,(1-44),输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正向
13、偏置，集电结反向偏置，IC=IB,且 IC=IB,(2)饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置，即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V C 和E之间相当于一个开关的闭合状态,在数字电路中起开关作用,在模拟电路中起放大作用,(1-45),(3)截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置，UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 C和E之间相当于一个开关的断开状态,在数字电路中，起开关作用,(1-46),前面是以NPN型三极管为例来讲解三极管的放大原理的，其晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性如图所示。,UCEUBE,PNP,电源极性反接,(1-47),判断三极管的类型、种类及电极
14、E、B、C的原则：,处于放大状态的三极管，发射结一定正向偏置，基极和发射极之间电位差的绝对值（即 UBE）约为 0.7V（硅管）或0.3V（锗管），第三电极必为集电极，若该电极电位最高，则为NPN型三极管；若该电极电位最低，则为PNP型三极管。若为NPN型三极管，UBE0，发射极电位最低；若为PNP型三极管，UBE0，发射极电位最高。,(1-48),例如：测得处于放大状态的三个三极管的各电极的电位分别如图（a）、（b）、（c）所示。试判断各管的类型，并区分E、B、C三个电极,NPN硅管,PNP锗管,PNP硅管,E,B,C,C,B,E,C,E,B,(1-49),例：=50，USC=12V，RB=
15、70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区,USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019 mA IC=IB=500.019=0.95 mA ICS=2 mA，Q位于放大区（IC最大饱和电流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA）,(1-50),例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061 mA IC
16、=IB=500.061=3.05 mA ICS=2 mA，Q位于饱和区(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）,(1-51),三极管深度饱和时：,集电极最大饱和电流：,若：ICICS，则三极管处于放大区；,若：ICICS，则三极管处于饱和区；,若：IC0，则三极管处于截止区。,UCE0,根据IC值判断三极管的工作状态,(1-52),三极管的技术数据：（1）电流放大倍数（2）集-射间穿透电流ICEO（3）集-射间反向击穿电压UCEO(BR)（4）集电极最大电流ICM（5）集电极最大允许功耗PCMPCM=ICMUCE,(1-53),5、场效应晶体管,三极管（普通晶体管）是电流控制元件，通过控制基极
17、电流达到控制集电极电流或发射极电流的目的，即信号源必须提供一定的电流才能工作。因此它的输入电阻较低，仅有102104W。三极管工作的时候有两种不同的载流子（电子与空穴）同时参与导电，故又称为双极性晶体管。,(1-54),绝缘栅型场效应管MOS,结型场效应管JFET,场效应管有两种:,场效应管是电压控制元件，它的输出电流决定于输入端电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻很高，可高达1091014W,，另外，还具有耗电少、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺比较简单等优点。工作时只有一种极性的载流子（电子或空穴）参与导电，故又称为单极型晶体管。,(1-55),MOS绝缘栅场效应管（N沟道）,（1）结构,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,金属铝,N导电沟道,+,(1-56),N沟道增强型,（2）符号,N沟道耗尽型,栅极,漏极,源极,(1-57),耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,(1-58),UGS=0V,UGS=+1V,UGS=+2V,夹断电压UGS(off)=-2V,放大区,可变电阻区,(1-59),耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,夹断电压,饱和漏极电流,开启电压,(1-60),跨导gm,=ID/UGS,=（3-2）/（1-0）=1/1=1mS,单位：西门子 S 或mS mS,
