第1章半导体器件.

1、第1章半导体器件31第 1 章 半导体存器件1.1 学习要求1 ）了解半导体的特性和导电方式，理解 PN 结的单向导电特性。2 ）了解半导体二极管、三极管的结构。3 ）理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数。4 ）理解双极型三极管的放大作用、输入和输出特性及其主要参数。5 ）了解 MOS 场效应管的伏安特性、主要参数及其与双极型三极管的性能比较。1.2 学习指导本章重点：（ 1） PN 结的工作原理。（ 2 ）二极管的工作原理、伏安特性和主要参数。（ 3 ）双极型三极管的放大作用、输入和输出特性及其主要参数。 本章难点：（ 1 ）半导体二极管的限幅、钳位等作用。（ 2 ）双极型三极管的电流分

2、配与电流放大作用。-E/. JH本章考点：（ 1 ）本征半导体、杂质半导体的相关概念。（ 2 ） PN 结的单向导电特性。（ 3 ）半导体二极管、稳压管的限幅、钳位等电路分析。（ 4 ）双极型三极管的管脚、工作状态及放大条件的判别。1.2.1 PN 结1半导体的导电特征半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。纯净的半导体称为本征半导体，其导 电能力在不同的条件下有着显著的差异。本征半导体在温度升高或受光照射时产生激 发，形成自由电子和空穴，使载流子数目增多，导电能力增强。杂质半导体是在本征半导体中掺入杂质元素形成的，有N型半导体和 P型半导体两种类型。N型半导体是在本征半导体中掺入五价元素形成的

3、，自由电子为多数载流 子，空穴为少数载流子。 P型半导体是在本征半导体中掺入三价元素形成的，空穴为 多数载流子，自由电子为少数载流子。杂质半导体的导电能力比本征半导体强得多。2 . PN结及其单向导电性在同一硅片两边分别形成N型半导体和 P型半导体，交界面处就形成了PN结。PN结的形成是多数载流子扩散和少数载流子漂移的结果。PN结具有单向导电性：PN结加正向电压(P区接电源正极，N区接电源负极)时，正向电阻很小，PN结导通，可以形成较大的正向电流。PN结加反向电压(P区接电源负极，N区接电源正极)时，反向电阻很大，PN结截止，反向电流基本为零。1.2.2 半导体二极管在PN结的两端各引出一个电

4、极便构成了半导体二极管。由P区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极称为阴极或负极。二极管的核心实质是一个PN结。1 .二极管的伏安特性(1 )正向特性。正向电压小于死区电压(硅管约为0.5 V,锗管约为 0.2 V)时二极管截止，电流几乎为零。正向电压大于死区电压后二极管导通，电流较大。导通后的二极管端电压变化很小，基本上是一个常量，硅管约为0.7 V,锗管约为 0.3 V。(2 )反向特性。反向电压在一定范围内时二极管截止，电流几乎为零。反向电压 增大到反向击穿电压Ubr时，反向电流突然增大，二极管击穿，失去单向导电性。2 二极管的主要参数(1 )最大整流电流IoM。指二极管长期使用时

5、允许通过的最大正向平均电流。(2 )反向工作峰值电压Udrm。指二极管使用时允许加的最大反向电压。(3 )反向峰值电流Irm。指二极管加上反向峰值电压时的反向电流值。(4 )最高工作频率 fM。指二极管所能承受的外施电压的最高频率。二极管在电路中主要用于整流、限幅、钳位等。整流是将输入的交流电压变换为 单方向脉动的直流电压，限幅是将输出电压限制在某一数值以内，钳位是将输出电压 限制在某一特定的数值上。3 .特殊二极管(1) 稳压管。稳压管的反向击穿特性曲线比普通二极管陡，正常工作时处于反 向击穿区，且在外加反向电压撤除后又能恢复正常。稳压管工作在反向击穿区时，电 流虽然在很大范围内变化，但稳压

6、管两端的电压变化很小,所以能起稳定电压的作用。如果稳压管的反向电流超过允许值，将会因过热而损坏，所以与稳压管配合的电阻要适当，才能起稳压作用。稳压管除用于稳压夕卜，还可用于限幅、欠压或过压保 护、报警等。(2) 光电二极管。光电二极管用于将光信号转变为电信号输出，正常工作时处于反向工作状态，没有光照射时反向电流很小，有光照射时就形成较大的光电流。(3) 发光二极管。发光二极管用于将电信号转变为光信号输出，正常工作时处 于正向导通状态，当有正向电流通过时，电子就与空穴直接复合而发出光来。4 .二极管应用电路的分析方法(1 )判断二极管是导通还是截止。判断方法是：假设将二极管开路，计算接二极管阳极

7、处的电位 Ua和接二极管阴极处的电位Uk。当将二极管视为理想元件(即忽略二极管正向压降和反向漏电流)时，若Ua Uk，则接上二极管必然导通，其两端电压为零。否则接上二极管必然截止，其反向电流为零。当计及二极管的正向压降U d时，若 U a- U k U d，则接上二极管必然导通，其两端电压通常硅管取0.7 V,锗管取0.2 V。否则接上二极管必然截止，其反向电流为零。(2)由二极管的工作状态画出等效电路，由于在等效电路中不含二极管，故可根据电路分析方法(如支路电流法、叠加定理、戴维南定理等)分析计算。例如，在如图 1.1 ( a)所示电路中，设二极管VD的正向电阻为零，反向电阻为无穷大，试求A

8、点电位U A。将二极管断开，得电路如图1.1 ( b)所示，此时 A、K两点的电位分别为：U AO 6060 =40 ( V)30 60Uko =602020 -20 =20 ( V )20 20因为UaoUko,所以如图 1.1 ( a)所示电路中的二极管是导通的，可以用短路线代替，如图1.1 ( c)所示，运用节点电压法即可求出A点电位为：60-2060-J- -J-Ua202030120203060=40 (V )+60V+60V+60V+60V-20V(a)30 Q 20Q-20V(b)图1.1二极管电路计算示例+60V30 QA 60Q+60V| 20QKS20Q-20V(c)1.2

9、.3 双极型三极管1 结构与工作原理双极型三极管简称晶体管或三极管，有NPN型和PNP型两种类型。晶体管有发射区、基区和集电区 3个区，从这 3个区分别引出发射极E、基极B和集电极 C,基区和发射区之间的PN结称为发射结，基区与集电区之间的PN结称为集电结。晶体管具有电流放大作用的内部条件是：(1 )发射区的掺杂浓度大，以保证有足够的载流子可供发射。(2 )集电区的面积大，以便收集从发射区发射来的载流子。(3 )基区很薄，且掺杂浓度低，以减小基极电流，即增强基极电流的控制作用。晶体管实现电流放大作用的外部条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。对NPN型晶体管，电源的接法应使3个电极的电位关系

10、为Uc Ub Ue。对PNP型晶体管，则应使 Uc :Ub :Ue。工作于放大状态的晶体管，基极电流Ib远小于集电极 Ic和发射极电流 Ie,只要发射结电压 Ube有微小变化，造成基极电流Ib有微小变化，就能引起集电极Ic和发射极电流Ie大的变化，这就是晶体管的电流放大作用。2 .特性曲线晶体管的输入特性曲线I B = f (U BE ) UCE占熟与二极管的正向特性曲线相似，也有 同样的死区电压和管压降范围，如图1.2 ( a)所示。晶体管的输出特性曲线Ic =f(UcE)i占熟是一簇曲线，如图1.2 ( b )所示。根据晶体管工作状态的不同，输出特性曲线分为放大区、截止区和饱和区3个工作区

11、。晶体管在不同工作状态下的特点如表1.1所示。饱和区1001 A801 A4放321Ic (mA )i k大区(a)输入特性曲线(b)输岀特性曲线1.2晶体管的特性曲线60 1 A40卩A20 i Ar、IB=09 QUce (V)截止区3 .主要参数(1 )电流放大系数和直流(静态)电流放大系数:交流(动态)电流放大系数:小功率晶体管=50 200 ,意，3太小的管子放大能力差，而-上口 B大功率管的3值一般较小。选用晶体管时应注3太大则管子的热稳定性较差，一般以100左右为宜。(2 )反向饱和电流Icbo和穿透电流I CEO。二者的关系为IcEO =(1 +P)lcBO，它们随温度升高而增

12、大，影响电路工作的稳定性。(3 )集电极最大允许电流1cm。集电极电流超过 1cm时3值将明显下降。(4 )反向击穿电压U (BR ) CEO。基极开路时集电极与发射极之间的最大允许电压。6 )集电极最大允许耗散功率P CM。PcM l cU CE。IcM、U ( BR)CEO和PC M称为晶体管的极限参数，由它们共同确定晶体管的安全工作区。表1.1晶体管在不同工作状态下的特点工作状态截止放大饱和偏置情况发射结反偏集电结反偏发射结正偏集电结反偏发射结正偏集电结正偏特点(NP N硅管)U B E 三 0IB =0Ic =0Uce =U ccUbe =0.7VIc = B BUccUceUbeUb

13、e =Q7V1 c = les, ,1 cs1 B 一 IBS pUce =0.3 V Ube4 晶体管工作状态、类型和管脚的判别方法(1 )晶体管的工作状态可根据发射结和集电结的偏置情况判断。对NPN型晶体管，若Ube三0 ,则发射结反偏，晶体管工作在截止状态。若Ube 0 ,则发射结正 偏，这时可再根据集电结的偏置情况判断晶体管是工作在放大状态还是饱和状态，集 电结反偏为放大状态，集电结正偏为饱和状态；也可根据Ib与I BS的关系判断，I csI CSI B :： I BS=为放大状态，IbI BS L为饱和状态。(2 )晶体管的类型( NPN型还是 PNP型，硅管还是锗管)和管脚可根据各

14、极 电位来判断。NPN 型集电极电位最高，发射极电位最低，即UC Ub Ue , U be 0 ; PNP型集电极电位最低，发射极电位最高，即U C 5V时二极管 VD承受正向电压导通,Ud=0 , Uo=5V ； Ui 5V时二极管 VD承受正向电压导通,U d=0 , Uo= u i ；Ui 5V时二极管VD承受反向 电压截 止，电阻R中无 电流，Ur=0, Uo= Ui ；Ui 5V时二极管 VD承受正向电压导通，Ud=0 , Uo =5V。输入电压Ui和输出电压 U o的波形如图 1.6 ( c)所示。F的电位 Uf及各元1.3 在如图1.7所示的电路中，试求下列几种情况下输出端 件(

15、R、VD a、VD b)中的电流，图中的二极管为理想元件。(1) U A =U B =0 V。(2 ) UA =3 , U B =0 V。(3) U A =U B =3 V。VDAA 一总一VDbB_+ Ucc (+6V)3k Q图1.7 习题1.3的图分析 在一个电路中有多个二极管的情况下，一些二极管的电压可能会受到另一 些二极管电压的影响，所以，在判断各个二极管的工作状态时，应全面考虑各种可能 出现的因素。一般方法是先找出正向电压最高和（或）反向电压最低的二极管，正向 电压最高者必然导通，反向电压最低者必然截止，然后再根据这些二极管的工作状态 来确定其他二极管承受的是正向电压还是反向电压。

16、VD a、解 （1 ）因为Ua =Ub =0V而Ucc=6V，所以两个二极管VDa、VD b承受同样大的正向电压，都处于导通状态，均可视为短路，输出端F的电位Uf为：U F = U A =U B -0 （ V）电阻中的电流为:Ucc -Uf空=2（mA）3R RVD b中的电流为：1I DA i DBI R2UB =0 V而 Ucc=6V，所以二极管 VDb承受的正向电压最高，处于导通状态，可视为短路，输出端FUf =Ub两个二极管 VD a、（2 ）因为 UA =31 2=1 （ mA）2的电位U F为:-0（ V）电阻中的电流为:R RVD b导通后，VD a上加的是反向电压, VD b中

17、的电流为：602 （ mA）3VD a因而截止，所以两个二极管VD a、=0 （ mA） =2（ mA）（3）因为Ua二Ub =3V而Ucc=6V，所以两个二极管正向电压，都处于导通状态，均可视为短路，输出端U F =U A =UB = 3I DAIDB = IRVDF的电位（V）A、VD B承受同样大的Uf为：电阻中的电流为:.Ucc -UfI R = R两个二极管 VD a、VD b中的电流为：Ida = Idb I r26-3二丄 1 =0.5（ mA）21.4 在如图1.8所示的电路中，试求下列几种情况下输出端 件（R、VD a、VD b）中的电流，图中的二极管为理想元件。（1 ） U

18、 A =U B = 0 V。（2） Ua =3V, Ub =0。F的电位 Uf及各元(3 ) U a =Ub =3v oVDaA a_EM-_VDbB o_ 0 ,即e -E - -10 V时二极管导通， 当 e E ：0，即 e ： E =-10 V 时二极管截止， u =e E =30si.t - 10 V。由此 UD的波形，如图 1.10所示。ud(V)+e C)-20可见如果改变，若I Z I ZM。I Z超过I ZM，则应增大R1，也可减小 R2。但R2 般是负载电阻，不能随意R1不能变，则应限制R2的最大值，或另选稳压管。1.7 有两个稳压管VDzi和VD Z2，其稳定电压分别为5

19、.5V和8.5V，正向压降都是0.5V，如果要得到0.5V 、3V、6V、9V和14V几种稳定电压，这两个稳压管（还有限流电阻）应该如何连接，画出各个电路。分析稳压管工作在反向击穿区时，管子两端电压等于其稳定电压；稳压管工作在正向导通状态时，管子两端电压等于其正向压降。因此，可通过两个稳压管的不同 组合来得到不同的稳定电压。解应按如图11.12 （ a）（e）所示各个电路连接，可分别得到上述几种不同的稳定电压，图中的电阻均为限流电阻。+0.5VR1VDZ1(b)+9VR2VD Z2-3V +6V图1.12 习题1.6的图1.8 在一放大电路中，测得某晶体管3个电极的对地电位分别为-6V、-3V

20、、-3.2V ,试判断该晶体管是 NPN型还是PNP型？锗管还是硅管？并确定 3个电极。分析 晶体管的类型（ NPN型还是 PNP型，硅管还是锗管）和管脚可根据各极 电位来判断。NPN 型集电极电位最高，发射极电位最低，即UC UB UE , U BE 0 ； PNP型集电极电位最低，发射极电位最高，即U C : U B : U E , U BE : 0。硅管基极电位与发射极电位大约相差0.6或0.7V ;锗管基极电位与发射极电位大约相差 0.2 或 0.3V。解设晶体管 3个电极分别为1、2、3，即5二6V、U2二3V、U-3.2V。因为2、3两脚的电位差为0.2V，可判定这是一个锗管，且1

21、脚为集电极。由于集电极电位最低，可判定这是一个PNP型管。又由于 2脚电位最高，应为发射极，而3脚为基极。因 为发射极 与基极之间的 电压U be U 3 U 23.2（-3）0.2 V ,基极与集电极之间的电压 U bc =U3 -U1 - -3.2 -（-6） =2.8v，可见发射结正偏，集电结反偏，晶体管工作在放大状态。综上所述，可知这是一个PNP型的锗晶体管。1.9 晶体管工作在放大区时，要求发射结上加正向电压，集电结上加反向电 压。试就 NPN型和PNP型两种情况讨论：（1） Uc和Ub的电位哪个高？Ucb是正还是负？（2） Ub和Ue的电位哪个高？Ube是正还是负？（3） Uc和U

22、e的电位哪个高？Uce是正还是负？分析 晶体管工作 在放大 区时，要 求发射 结上加 正向电压，集电 结上加 反向电 压。对NPN型晶体管，电源的接法应使3个电极的电位关系为UCUBUE。对 PNP型晶体管，则应使 Uc ：Ub :Ue。解 （1 ）对NPN型晶体管，由UC Ub Ue可知：UC Ub， U b Ue， U c U E ； U CB 0， U be 0， U ce 0。（2 ）对 PNP 型晶体管，由 Uc ：Ub ：Ue 可知：Uc ：Ub， Ub：Ue，U c U e ； U CB 0，u BE 0，u CE 0。1.10 一个晶体管的基极电流Ib =80卩A，集电极电流

23、lc =1.5mA，能否从这两个数据来确定它的电流放大系数？为什么？分析晶体管工作在不同状态时，基极电流和集电极电流的关系不同。工作在截止状态时l b =0 , l c -0 ；工作在放大状态时lc = ：l B ；工作在饱和状态时l C *门B。解 不能由这两个数据来确定晶体管的电流放大系数。这是因为晶体管的电流放 大系数是放大状态时的集电极电流与基极电流的比值，而题中只给出了基极电流和集 电极电流的值，并没有指明这两个数据的测试条件，无法判别晶体管是工作在放大状 态还是饱和状态，所以不能由这两个数据来确定晶体管的电流放大系数。1.11 若晶体管的发射结和集电结都加正向电压，则集电极电流lc

24、将比发射结加正向电压、集电结加反向电压时更大，这对晶体管的放大作用是否更为有利？为什么？分析晶体管的发射结和集电结都加正向电压时工作在饱和状态，lc不随Ib的增大而成比例地增大，晶体管已失去了线性放大作用。解 发射结和集电结都加正向电压时对晶体管的放大作用不是更为有利，而是反 而不利。这是因为这时晶体管工作在饱和状态，集电极电流lc虽然比发射结加正向电压、集电结加反向电压（即放大状态）时更大，但是lc已不再随Ib线性增大，Ib对lc已失去控制作用，所以已没有放大能力。另一方面，晶体管工作在饱和状态时 集电极与发射极之间的电压Uce -50、Iceo -10卩A，其他参数都一样，哪个管子的性能更

25、好一些？为什么？分析虽然在放大电路中晶体管的放大能力是一个非常重要的指标，但并非3越大就意味着管子性能越好。衡量一个晶体管的性能不能光看一、两个参数，而要综合 考虑它的各个参数。在其他参数都一样的情况下，3太小，放大作用小；3太大，温度稳定性差。一般在放大电路中，以-100左右为好。I C BO受温度影响大，此值越小，温度稳定性越好。IcBO越大、加越大的管子，则I CEO越大，稳定性越差。解第二个管子的性能更好一些。这是因为在放大电路中，固然要考虑晶体管的放大能力，更主要的是要考虑放大电路的稳定性。1.13 有一晶体管的Pcm =100 mW， I cm = 20 mA， U(br)ceo

26、= 30 V，试问在下列几种情况下，哪种为正常工作状态？(1) U CE =3v， lc =10mA。(2) U cE =2V， I c =40 mA。(3) U ce - 8 V， I c =18 mA。分析I cm、U ( br)ceo和Pcm称为晶体管的极限参数，由它们共同确定晶体管的安全工作区。集电极电流超过 IcM时晶体管的3值将明显下降；反向电压超过U ( BR)CEO时晶体管可能会被击穿；集电极耗散功率超过PcM时晶体管会被烧坏。解 第(1 )种情况晶体管工作正常，这是因为U CE : U(BR)CEO , I C I CM ,Pc二UceIc =3 10 =30mW Pcm。其

27、余两种情况晶体管工作不正常1.14 某场效应管漏极特性曲线如图1.13所示，试判断：(1 )该管属哪种类型？画出其符号。(2 )该管的夹断电压U GS(off) 大约是多少？(3 )该管的漏极饱和电流Idss大约是多少？N沟道场效应管分析 根据表1.2所示绝缘栅型场效应管的漏极特性曲线可知,当Ugs由正值向负值变化时Id减小，P沟道场效应管当 Ugs由正值向负值变化时Id增大；耗尽型场效应管在UGS =0时I D =0，增强型场效应管在UGS =0时丨D =0。解 由图1.13可知，因为该管当Ugs由正值向负值变化时Id减小，且UGS=0时U GE(off)-6 V ,漏极饱和Id -0，所以该管属N沟道耗尽型场效应管，并且夹断电压图1.13 习题1.14的图电流Idss 12mA，其符号如图 1.14所示。图1.14 习题1.14解答用图1.15 试由如图1.13所示的场效应管漏极特性曲线，画出Uds=6V时的转