1、第一章 半导体器件,1.1 半导体与二极管,1.2 特殊二极管,1.3 半导体三极管,1.4 场效应管,1.1 半导体与二极管,1.1.1 半导体,半导体 ,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,本征半导体 ,纯净的半导体。如硅、锗单晶体。,载流子 ,自由运动的带电粒子。半导体中的载流子包括电子和空穴,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,一、半导体,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,半导体之所以得到广泛应用是因为其具有如下特性：,（1）掺杂特性（2）热敏特性（3）光敏特性,二. 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体
2、。,1. N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,2. P型半导体,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,三. PN结及其单向导电性,1 . PN结的形成,2 . PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,PN结加正向电压时，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，呈现高电阻，
3、 PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,1.1.2 二极管的结构和符号,二极管 = PN结 + 管壳 + 引线,结构,符号,二极管按结构分三大类：,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(3) 平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,半导体二极管图片,1.1.3 二极管的伏安特性,硅：0.5 V 锗： 0.1 V,(1) 正向特性,导通压降,(2) 反向特性
4、,死区电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.3V,二极管的近似分析计算,例：,串联电压源模型,测量值 9.32mA,理想二极管模型,0.7V,1.1.3 二极管的主要参数,(3) 反向电流IR在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,（2）最高反向工作电压URM是指二极管在使用时所允许加的最大反向电压。为了确保二极管安全运动，通常取二极管反向击穿电压UBR的一半作为URM,(1) 最大整流电流IF是指二极管长期运动时允许通过的最大正向平均电流，,小 技 巧,二极管的简易测量,根据二极管的单向导电性可知，二极管正向电阻小，反向电
5、阻大。利用这一特点，可以用万用表的电阻挡大致测量出二极管的好坏和正负极性,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,1.2.1 稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,反偏电压UZ 反向击穿,UZ,1.2 特殊二极管,稳压二极管的主要 参数,(1) 稳定电压UZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =U /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3) 最小稳定工作 电流IZmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。,
6、(4) 最大稳定工作电流IZmax,超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,1.2.2 变容二极管,PN结具有电容效应，二极管存在结电容。二极管结电容的大小除了与本身结构工艺有关，还与外加电压有关。,变容二极管的结电容Cj与反偏电压uD的关系曲线,变容二极管常用于高频电路中，例如，电调谐电路和自动频率控制电路,1.2.3 光电二极管,光电二极管的结构与一般的二极管类似，在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃管窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下工作，它的反向电流随光照强度的增加而上升。,光电二极管的符号及其特性曲线,光电二极管可用于光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件
7、。,1.2.4 发光二极管,发光二极管（简称LED）是一种光发射器件，它是由砷化镓、磷化镓等材料制成。当这种管子通以电流时将发出光来。光的颜色主要取决于制造所用的材料 。,发光二极管的电路符号和伏安特性曲线,发光二极管是一种新型冷光源。由于它体积小、用电省、工作电压低、寿命长、单色性好和响应速度快，因此，常用来作为显示器。,1.3 半导体三极管,1.3.1 三极管的结构与分类,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管。双极型晶体管是由两个PN结组成的。,一.三极管的结构,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点:（1）发射区的掺
8、杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。,三极管分类：,按材料分： 硅管、锗管,按功率分： 小功率管 1 W,中功率管 0.5 1 W,1.3.2 三极管的电流分配关系与放大作用,1. 放大的概念,电子电路中所说的放大，有两方面含义：一是放大的对象是变化量，不是一个恒定量。 例如，扩音机是把人讲话时声音的轻重和高低放大出来；二是指对能量的控制作用，即在输入端用一个小的变化量去控制能源，使输出端产生一个与输入变化量相应的大的变化量，体现了对能量的控制作用,2.三极管实现放大作用的条件,三极管实现放大作用的外部条件： 发射结加正向电压（正向偏置），在集电结加反向电压（反向偏置） 对
9、于NPN管，要求UCUBUE；PNP型管的情况正好相反，即UEUBUC。,发射结正偏，集电结反偏,3. 三极管的电流分配关系与放大作用,晶体管电流测量数据,由此实验及测量结果可得出如下结论： （1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。 （2） IE和IC比IB 大的多。 （3）IC与IB的比值几乎是一个常数，我们将这个比值称为共发射极交流电流放大系数，,三极管集电极直流电流IC和相应的基极电流IB的比值称为直流放大系数，用表示，即一般情况下，与很接近，即 ，通常与无须严格区分，可以混用。,1.3.3 三极管在电路中的基本连接方式,三极管的三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极;,共基
10、极接法，基极作为公共电极。,共发射极接法，发射极作为公共电极；,三极管在电路中的三种基本连接方式,1.3.4 三极管的伏安特性,1. 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。,（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。,（2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,2. 输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const,现以iB=60uA一条加以说明。,（1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2） uCE Ic
11、。,（3） 当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，可作出iB=其他值的曲线。,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区 曲线基本平行等 距。 此时，发 射结正偏，集电 结反偏。 该区中有：,饱和区,放大区,截止区,1.3.5 三极管的主要参数,1.电流放大系数,一般取20200之间,2.3,1.5,（1）共发射极电流放大系数：,
12、2. 反向饱和电流,（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流 。其大小与温度有关。,（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。 锗管：I CBO为微安数量级， 硅管：I CBO为纳安数量级。,3.极限参数,Ic增加时， 要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。,（1）集电极最大允许电流ICM,（2）集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PC= ICUCE,PCM, PCM,（
13、3）反向击穿电压,BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：, U（BR）EBO集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。 U（BR）CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。, U（BR）CEO基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。,在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。,半导体三极管的型号,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3D
14、G110B,1.4 场效应管,三极管是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。,场效应管（简称FET）是一种电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,1.4.1 绝缘栅场效应管简介,绝缘栅型场效应管 (FET)，简称MOSFET。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,1.N沟道增强型MOS管 （1）结构 4个电极：漏极D，源极S，栅极G和 衬底B。,符号：,当uGS0V时纵向电场将靠近栅极下方的空
15、穴向下排斥耗尽层。,（2）工作原理,当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,再增加uGS纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。,栅源电压uGS的控制作用,定义： 开启电压UGS(th)刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS,N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS UGS(th) ，管子截止， uGS UGS(th) ，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。,漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用,当uGSUT，且固定为某一值时，来分析
16、漏源电压uDS对漏极电流ID的影响。（设UGS(th)=2V， uGS=4V）,（a）uDS=0时， iD=0。,（b）uDSiD； 同时沟道靠漏区变窄。,（c）当uDS增加到使uGD= UGS(th)时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。,（d）uDS再增加，预夹断区加长， uDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， id基本不变。,（3）特性曲线,四个区：（a）可变电阻区（预夹断前）。,输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const,（b）恒流区也称饱和 区（预夹断 后）。,（c）夹断区（截止区）。,（d）击穿区。,可变电阻区,恒流区,截止区,击穿区,转移特性曲线： iD=f(uGS)
17、uDS=const,可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：,UGS(th),一个重要参数跨导gm：,gm=iD/uGS uDS=const (单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出gm。,2.N沟道耗尽型MOSFET,特点： 当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。 当uGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。 当uGS0时，沟道变窄，iD减小。,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。,定义： 夹断
18、电压（ UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。,N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,UP,3、P沟道耗尽型MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,1.4.2 场效应管的主要参数和使用注意事项,1. 主要参数,(1）直流参数 开启电压UGS(th) , UGS(th)值是增强型场效应管的重要参数。 夹断电压UGS(off) ,它是耗尽型场效应管的重要参数 饱和漏电极电流IDSS ,它也是耗尽型场效应管的重要参数。 直流输入电阻RGS , 它是
19、指栅源极间电压UGS与对应的栅极电流IG之比。场效应管输入电阻RGS值很大，结型场效应管一般在107以上；绝缘栅型场效应管RGS值则更大，一般在109以上。,(2）交流参数 跨导gm ,跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，它是标志场效应管放大能力的重要参数，单位为mS或S。值得注意的是，gm与工作点有关，它随工作点的变化而变化。 极间电容 指场效应管3个电极之间的等效电容CGS、CGD、CDS，一般为0.13 pF，是影响管子高频性能的参数。（3）极限参数 漏极最大允许耗散功率PDM,指ID与UDS的乘积不应超过的极限值。 漏源击穿电压U(BR)DS,指ID开始急剧增加的漏源电压。,2.
20、使用注意事项（1）结型场效应管的栅源电压不能接反，各极可以在开路状态下保存。（2）MOS型场效应管不使用时，须将各电极短路，以免由于外电场的作用而使管子损坏。（3）焊接时，电烙铁外壳必须良好接地，或断电后再焊。,本章小结（1）半导体导电能力取决于其内部载流子的多少，半导体有电子和空穴两种载流子。本征半导体有热敏特性、光敏特性、掺杂特性。在本征半导体中掺入相应的杂质，便可制成P型半导体和N型半导体，它们内部都有空穴和电子两种载流子，其中多子是由掺杂产生的，少子是由本征激发产生的。（2）PN结是构成各种半导体的基础，它具有单向导电性。当接正向偏置时，有较大的正向电流，正向电阻较小；而接反向偏置时，
21、反向电流很小，反向电阻很大。（3）半导体二极管的核心是一个PN结，它的特性与PN结基本相同。二极管的伏安特性是非线性的，所以是非线性器件。二极管的主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压和反向饱和电流。,（4）稳压二极管是一种特殊二极管，利用在反向击穿状态下的恒压特性，常用它来构成简单的稳压电路。其他特殊二极管，如变容二极管、发光二极管、光敏二极管等均具有非线性的特点，它们均有不同于普通二极管的特殊用途。（5）晶体三极管是由两个PN结构成的半导体器件，在集电结反偏，发射结正偏的外部条件下，晶体管的基极电流对集电极电流具有控制作用，即电流放大作用。晶体三极管有三种连接方式，广泛采用的是共发射极连
22、接。它有三种工作状态，即截止状态、饱和状态和放大状态。三极管的三个极的电流关系是IE=IB+IC，在放大状态时，IC=IB+ICEOIB，这表明三极管是一种电流控制型器件，具有受控特性（指IC与IB的关系）和恒流特性（指IC和UCE的关系）。,（6）晶体三极管是一种非线性器件，使用中应注意分析方法，它的特性曲线和参数是正确运用晶体三极管的重要依据。（7）场效应管是一种电压控制型器件，即用栅源电压来控制漏极电流，它具有输入阻抗高和低噪声的特点。表征场效应管性能的有转移特性曲线、输出特性曲线和跨导。它有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。每类又有P沟道和N沟道的区分。绝缘栅型场效应管有增强型和耗尽型两种。,
