常用的半导体器件有二极管三极管场效应晶体管等

12020/1/16电子技术基础课程负责人郭玉霞22020/1/161.1PN结1.2半导体二极管1.3双极型三极管1.4场效应晶体管第一章半导体器件基础32020/1/16半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。1.1PN结42020/1/161.1.1本征半导体的导电特征半导体：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。热激发：热激发产生自由电子和空穴对。载流子：自由运动的带电粒子。共价键：相邻原子共有价电子所形成的束缚。52020/1/16本征半导体的电子空穴对62020/1/16【结论】纯净半导体也称为本征半导体1．本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2．半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3．本征半导体导电能力弱，并与温度有关。72020/1/161.1.2杂质半导体的导电特性杂质半导体（N型半导体、P型半导体）在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强1．N型半导体：在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，靠自由电子导电。N型半导体82020/1/162．P型半导体：在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，靠空穴运动P型半导体92020/1/16【结论】掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多，导电能力越强。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。102020/1/161.1.3PN结及其单向导电性1．PN结的形成：将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层→PN结。PN结的形成与单相导电性112020/1/162．PN结的单向导电性①外加正向电压（也叫正向偏置）：外加电场与内电场方向相反扩散运动加强，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。②外加反向电压（也叫反向偏置）外加电场与内电场方向相同，漂移运动产很小反向电流，这时称PN结处于截止状态。【PN结的单向导电性】正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。122020/1/161.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构和特性1．二极管的结构构成：PN结+引线+管壳=二极管半导体二极管按材料不同分硅、和锗二极管半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。二极管的电路符号132020/1/162．半导体二极管的伏安特性（1）正向特性外加正向电压较小时，PN结仍处于截止状态。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。正向电压大于死区电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。导通电压UD(on)(0.60.8)V―硅管0.7V(0.10.3)V―锗管0.2V142020/1/16（2）反向特性外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流很小。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。（3）反向击穿类型：电击穿—PN结未损坏，断电即恢复。热击穿—PN结烧毁。二极管伏安特性曲线152020/1/161.2.2半导体二极管的主要参数(超过时单向导电性变差)（1）IOM－最大整流电流(最大正向平均电流)（2）UB－反向击穿电压指管子反向击穿时的电压值。（3）UDRM－最大反向工作电压（约为UB的一半）。（4）IRM－最大反向电流(越小单向导电性越好)（5）fM－最高工作频率（超过时单向导电性变差）162020/1/16【影响工作频率的原因】主要取决于PN结结电容的大小(1)低频时，因结电容很小，对PN结影响很小；高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。(2)结面积小时结电容小，工作频率高。【二极管的理想模型】正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。二极管理想模型的伏安特性172020/1/16【二极管的恒压降模型】正向导通时等效为恒压源，硅材料为0.7V电压，锗材料为0.2V电压；反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。二极管的恒压降模型182020/1/16【结论】VDD（二极管两端的电压）大，采用理想模型；VDD小，采用恒压降模型192020/1/161.2.3二极管的应用利用二极管的单向导电性，可以组成整流、限幅、钳位，检波及续流等应用电路。1．单相半波整流电路将交流电变成脉动直流电的过程叫做整流。在交流电压u2的负半周，二极管D上作用着反向电压，二极管不导通，电路中没有电流，负载RL上没有电压，交流电压u2的负半周全部作用在二极管上。单向半波整流电路单向半波整流电路工作波形212020/1/162．单相全波整流电路为了克服单相半波整流的不足，出现了单相全波整流电路，如图所示。在u2的正半周，D1导通，D2承受反向电压而截止；在u2的负半周，D2导通，Dl承受反向电压而截止。即一个周期内两个二极管轮流导通，从而正、负半周具有同一方向的电流流过负载RL，故叫全波整流电路，其电流、电压波形如图所示。单向全波整流电路单向全波整流电路工作波形232020/1/163．半导体二极管限幅电路限制输出信号幅度的电路叫限幅电路。当输入信号幅度变化较大时，为了使信号幅度能够限制在一定范围内，可将输入信号接入限幅电路。限幅电路限幅电路波形242020/1/164．钳位电路将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负荷变动影响的电路叫钳位电路。钳位电路252020/1/165．二极管检波电路检波就是将低频信号从已调制信号(高频信号)中取出的电路。检波电路及波形262020/1/16在电视、广播及通讯中，为了使图像、声音能远距离传送，需要将这一低频电信号装载到高频信号(叫载波信号)上，以便从天线上发射出去。其中高频信号的振幅、频率或相位随低频信号变化，这个过程叫做调制。272020/1/16为防止含电感元件电路在换路时出现高电压，以免损坏元器件，可以采用二极管续流电路来实现。正常工作时，续流二极管不导通，当电感与电压断开瞬时，电感电流仍维持原大小并按原方向继续流动，此时续流二极管为电感提供了放电通路。放电时电感两端电压始终等于续流二极管的正向电压，避免了电感上出现高电压。6．续流二极管电路为防止电感元件换路出现过电压而并接一个二极管的电路称之为续流二极管电路。续流原理电路282020/1/161.2.4特殊二极管1．稳压管稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。稳压二极管伏安特性稳压二极管符号292020/1/16稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ：越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。（3）动态电阻rZ：rZ=ΔUZ/ΔIZ，越小稳压效果越好（4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM：PZ=UZ*IZM302020/1/162．发光二极管当发光二极管的PN结加上正向电压时，导通并发光，常用于信号指示、数字和字符显示。发光二极管符号及应用电路312020/1/163．光电二极管光电二极管的又称为光敏二极管，反向偏置时光照通。光电二极管符号322020/1/164．变容二极管对PN结，当外加反向电压增大时，耗尽层加宽，相当于平板电容两极板之间距离加大，电容减小。反之，反向电压减小时，耗尽层变窄，等效平板电容两极板之间距离变小，电容增加。变容二极管就是利用PN结这个特性制成的。其符号及特性如图所示。变容二极管容量很小，所以主要用于高频场合下。332020/1/16变容二极管符号及特性342020/1/165．光电耦合器件将发光二极管和光电二极管组合起来可以构成二极管型光电耦合器件，如图所示。它以光为媒介实现电信号的传递。光电耦合器件由于发光器件和光电器件相互绝缘，分别处于输入和输出回路，所以可以实现两电路的电气隔离，并实现信号的单方向传递。光电耦合器件352020/1/161.3晶体管1.3.1三极管的结构和分类双极型晶体管：半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，简称晶体管或三极管。362020/1/16372020/1/16分类:按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管按功率分：小功率管500mW中功率管0.51W大功率管1W382020/1/161.3.2电流分配和电流放大原理1．产生放大作用的条件外部：发射结正偏，集电结反偏三极管放大电流的外部条件392020/1/162．三极管内部载流子的传输过程（1）发射区向基区注入电子，形成发射极电流iE（2）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流iB（3）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流iC3．电流分配关系：iE=iC+iB三极管的电流放大作用:基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用。402020/1/161.3.3三极管的特性曲线1．输入特性曲线412020/1/162．输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置BCii0,0CBiiBECEBEBuuui,0,0BCii此时：422020/1/16三极管输出特性曲线432020/1/161.3.4三极管的主要参数1．电流放大系数β：iC=βiB2．极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3．极限参数（1）集电极最大允许电流ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。(超过时值明显降低)（2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。（3）集电极最大允许功耗PCM。442020/1/161.3.5温度对三极管参数的影响由于半导体三极管具有两种载流子(空穴和电子)导电，温度对其特性十分敏感。一般要考虑对下面三个参数的影响。1．温度对ICBO影响温度升高，ICBO增加。温度每升高10℃，ICBO增加一倍。2．温度对β的影响温度升高,β值增加。温度每升高1℃时,β值增加0．5～1％。3．温度对UBE的影响温度升高，UBE减小。温度每升高1摄氏度，UBE减小2～2．5mV。452020/1/161.4场效应晶体管场效应管的特点：1．是一种电压控制器件；2．输入电阻极高；3．是单极型器件；4．受温度、外界辐射影响小。场效应管的分类：按结构不同，场效应管分为两大类，六种管子：462020/1/16结型场效应管绝缘栅型场效应管N沟道结型场效应管P沟道结型场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道472020/1/161.4.1结型场效应管1．结构及符号结型场效应管分N沟道和P沟道两类，结构和电路符号如图所示。图(a)所示为N沟道结型场效应管，图(b)所示为P沟道结型场效应管。场效应管图形符号中箭头方向表示PN结正向偏置时栅极电流的方向。492020/1/162．工作原理以N沟道结型场效应管为例分析。N沟道场效应管常接成如图所示电路(共源极接法)。在放大工作状态时，D、S极间加正向电压VDD，G、S极间加反向电压VGG。由于栅极相对漏、源极是处于低电位，使N沟道两侧PN结承受反向偏置电压。所以改变加在PN结两端反向偏置电压，就可改变耗尽层的宽度，也就改变了中间导电沟道的宽度。这样利用电压的变化来控制导电沟道中多数载流子运动，也就控制了导电沟道中电流的大小。502020/1/16【总结】当导电沟道没有预夹断时，ＩD随UDS增大而增大；当沟道出现预夹断后，ID不再受UDS影响而几乎保持不变，此时漏极电流由栅源电压控制。UGS愈负，耗尽层愈宽，导电沟道愈窄，沟道电阻愈大，在一定UDS作用下所产生漏极电流ID愈小，这样就实现了UGS对ID的控制。N沟道结型管工作原理图512020/1/163．特性曲线（1）输出特性场效应管输出特性是指：在栅源电压