半导体器件基础教案

1、第一章半导体器件基础【学习目标】1.了解PN结的单向导电性。                             2.熟悉二极管的伏安特性3.了解开关二极管、整流二极管、稳压二极管的基本用途。4.掌握三极管输出特性曲线中的截止区、放大区和饱和区等概念。5.熟悉三极管共发射极电流放大系数的含义。6.熟悉对三

2、极管开关电路工作状态的分析方法。7.熟悉三极管的主要参数。8.熟悉MOS场效应管的分类及符号。9.熟悉增强型NMOS管的特性曲线。10.了解MOS场效应管的主要参数。【内容提要】    本章介绍三种常用的半导体器件，即半导体二极管、三极管及MOS场效应管。重点介绍这些器件的外部特性曲线、主要参数及电路实例。一、教学内容 （一） 半导体二极管 1PN结的伏安特性 PN结的伏安特性描述了PN结两端电压u和流过PN结电流i之间的关系。图是PN结的伏-安特性曲线。可以看出:         &

3、#160; （1）当外加正向电压较小（uI<UON）时，外电场不足以克服PN结内电场对多子扩散所造成的阻力，电流i几乎为0，PN结处于截止状态；    （2）当外加正向电压uI大于UON时，正向电流i随u的增加按指数规律上升且i曲线很陡 。 （3）当外加反向电压（u<0）时，反向电流很小, 几乎为0，用IR表示； （4）当u £ U(BR) 时,二极管发生电击穿,|u| 稍有增加,|i|急剧增大, u » UBR。 把PN结外加正向电压导通、外加反向电压截止的性能称作单向导电特性.UON称作导通电压，也叫开启电压, U(BR) 称作反向击穿电

4、压，IR称作反向电流。    2半导体二极管应用举例     半导体二极管是将PN结用外壳封装、加上电极引线构成。可以用作限幅电路、开关电路等。 （1）用作限幅电路     图2.2（a）是二极管电路。假设输入电压u I是一周期性矩形脉冲，输入高电平UIH=+5V、低电平UIL=-5V，见图（b）。可以知道，当输入信号的正半周时，二极管导通，uO =uI=+5V，负半周时，二极管截止，iD»0，uO »0，对应波形见图中（c）所示。通过二极管电路，使输出电压负半周的幅度受到了限制。 &

5、#160;    (2)用作开关电路 在图2.2（a）所示的二极管电路中，假设二极管为理想二极管。可以知道，当输入信号的正半周时，二极管导通，二极管可以看作只有很小（»0）压降的闭合开关，负半周时，二极管截止，iD»0，二极管可以看作断开的开关。 在数字电路中，二极管常被当做开关使用。 （二）双极型三极管    1 双极型三极管及其三种工作状态 NPN硅三极管的共射输出特性如图2.3所示。     把IB=0这条曲线以下部分称为截止区,此时,三极管各极电流iB»iC»0,对应

6、三极管截止的条件是uBE<0.5V；在特性的中间部分,曲线是一族近似水平的直线,这个区域称为放大区,此时,Ic=bIB, 对应三极管放大的条件是uBE³0.5V. uBC<0V；把输出特性靠近纵轴的上升部分,对应不同的IB值的各条曲线几乎重叠在一起的区域称为饱和区,此时,UCE£ UCES,对应三极管饱和的条件是uBE³0.7V. uBC>0V。        2三极管的主要参数 （1）共发射极电流放大系数b     共发射极电流放大系数b表示管子做成后，其

7、收集电流和基区复合电流之比，是一个常数。 （2）集电极-发射极饱和电压UCES     集电极-发射极饱和电压UCES指管子饱和时，集电极-发射极间的管压降，小功率管£0.3V。 （3）集电极最大电流ICM     集电极最大电流ICM指集电极允许流过的最大电流。 （4）集电极最大功率损耗PCM 集电极最大功率损耗PCM指集电极允许的最大功率。 （5）集电极-发射极击穿电压UCEO ICM、PCM、UCEO是极限值，使用管子时，不要超过极限值。   （三）MOS场效应管 1MOS场效应管的分类  

8、0;  MOS场效应管按其沟道和工作类型可分为四种：N沟道增强型、P沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道耗尽型。表2.1列出了四种场效应管的特点。    2特性曲线     图2.4示出了增强型NMOS管共源电路的转移特性和输出特性曲线。    图（a）的转移特性曲线描述MOS管栅源电压uGS和漏极电流iD之间的关系。因为uGS是输入回路的电压，而iD是输出回路的电流，故称转移特性。可以看出： 当uGS很小时：iD基本上为0，管子截止；当uGS大于UTN（UTN称作开启电压）时：iD 随uGS的增加而增加。

9、 图（b）的输出特性曲线描述漏源电压uDS和漏极电流iD之间的关系。可以看出，它分作三个区域： 夹断区: uGS < UTN的区域 。在夹断区，管子处于截止状态，漏源间的等效电阻极高。漏极电流几乎为0，输出回路近似开路； 可变电阻区：uGS >UTN且uDS较小（uDS< uGS-UTN）的区域 。在可变电阻区，iD和uDS之间呈线性关系，uGS值越大，曲线越陡，漏源间的等效电阻就越小； 恒流区：uGS >UTN且uDS较大（uDS> uGS-UTN）的区域 。在恒流区，iD只取决于uGS，而与uDS无关。    表2. 2列出了MO

10、S管工作在截止和导通状态时的条件及特点。   表2.2  NMOS管 PMOS管 特 点 截止 uGS <UTN uGS >UTP RDS非常大,相当于开关断开 导通 uGS ³ UTN uGS £ UTP rON非常小,相当于开关闭合 二、例题解析（答案供参考）     例2.1 在图P2.1（a）（b）（c）所示的电路中，设二极管为理想二极管，输入电压    解：分析二极管电路，要抓住二极管导通和截止的条件和特点。设理想二极管的导通电压为0V，导通时，管压降为0V（非理

11、想状态一般为0.7V）；二极管两端的正向电压小于0.5V时，管子截止，iD»0。抓住这些要点，可以知道在输入图（d）所示波形的情况下， 图（a）电路中，在输入信号的正半周，二极管导通，输出电压等于管压降，约为0V，在输入信号的负半周，二极管截止，iD»0，电阻上的压降»0，输出电压等于输入电压，uO»uI； 图（b）电路中，在输入信号的正半周，二极管导通，管压降约为0V，输出电压约等于输入电压，uO»uI；在输入信号的负半周，二极管截止，iD»0，电阻上的压降»0，输出电压等于0； 图（c）电路中，在输入信号的正半周，二极管

12、因反向偏置而截止，iD»0，电阻上的压降»0，输出电压等于0；在输入信号的负半周，二极管导通，管压降约为0V，输出电压约等于输入电压。相应波形见答图P2.1。     答图2.5 例2.2 在图P2.2中，若已知管子的导通电压UON=0.6V，b=80，管子导通后UBE =0.7V，UCES =0.3V，若输入电压uI幅值为5V、频率为1kHz的脉冲电压源，试分析：（1）当uI= UIL=0V和uI= UIH=5V时三极管的工作状态（放大、饱和、截止）；（2）若Rb值不变，求电路工作在临界饱和区时RC的最小值；若RC值不变，求电路工作

13、在临界饱和区时Rb的最大值。                 解：分析三极管电路。同样要抓住三极管三种工作状态的条件和特点。（1）当u I =UIL=0时： 由于u I < U ON =0.6V时，管子工作在截止状态； 当u I =UIH=5V时：三极管导通 i B =（5-0.7）/40=0.1075mA， i c =80´0.1075=8.6 mA， uCE = UCC- i c Rc =12-8.6´2= -5.2V，故可判断出管子工作在饱和状态 i CS =（U CC- U CES）/RC=（12-0.3）/2=5.85mA，I BS = I CS /b = 0.073mA，i B > I BS （2）固定Rb值不变，求临界饱和时的Rcmin     可得Rcmin=1.4KW。  （3）固定RC值不变，求临界饱和时的Rbmax可得R bmax=61KW。一、内容总结二、学习要求三个元件：二极管、三极管和MOS管两个重点：1、元件的外特性2、作开关元件的应用本章基础部分自学为主，不苛求元件内部工作原理的掌握，学会运用“