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B的含义。6. 熟悉对三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MOSg效应管的分类及符号。9. 熟悉增强型NMOS的特性曲线。10. 了解MO骇效应管的主要参数。【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MO扬效应管。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1

2、. PN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PNK电流i之间的关系。图是PN结的伏-安特性曲线。可以看出：图2.1(1)当外加正向电压较小(ui<Udn)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,UI稍有增加急剧增大，u工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

3、压，也叫开启电压，U(br)称作反向击穿电压，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ui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，iDO,uo制，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。(2)用作开关电路2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

4、，二极管导通，二极管可以看作只有很小()压降的闭合开关，负半周时，二极管截止，iD0,二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硅三极管的共射车出特性如图2.3所示。把Ib=0这条曲线以下部分称为截止区，止匕时，三极管各极电流18丽资0,对应三极管截止的条件是UbK0.5V；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=PlB,对应三极管放大的条件是UB晶0.5V.UBK0V;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,UceMUces

5、对应三极管饱和的条件是UbA0.7V.Ubo>0Vo2 .三极管的主要参数(1)共发射极电流放大系数P共发射极电流放大系数P表示管子做成后，其收集电流和基区复合电流之比，是一个常攵。(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M0.3V。(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UceoIcm、Pcm、Uceo是极限值，使用管子时，不要超过极限值。(三)MOS场效应管1 .MOS场效

6、应管的分类MOS©效应管按其沟道和工彳类型可分为四种：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。表2.1漏源材料导通沟道类型值压栅极工作电压漏源工作电压它点其特11沟道增强型P型N型电子加正正正电子迁移率高，故速度快P沟道增强型N型P型空穴即负负负易做，速度慢M沟道耗尽型P型N型电子“负零、正、负均可正速度校快，可在零栅压下工作P沟道耗尽型II型P型空穴“正难制作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2.4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

7、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很小日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。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(

8、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MOS管工作在截止和导通状态时的条件及特点。表2.2NMOS管PMOS管特点截止uGS<UtnUgs>UtpRds非常大，相当于开关断开导通Ugs>Utnugs<UtproN非常小，相当于开关闭合、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72sin(2以1000t)1输入波形如图(d),试分别画出各电路输出口的波形.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

9、压降为0V(非理想状态一般为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,电阻上的压降比0,输出电压等于输入电压，UOMI；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刈I；在输入信号的负半周，二极管截止，iD0,电阻上的压降00,输出电压等于0;图（c）电路中，在输入信号的正半周，二极管因反向偏置而截止，iD之0,电阻上的压降，输出电压等于0;在输入信号的

10、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邛=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U产Uil=0V和u尸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，求电路工作在临界饱和区时R的最大值。i B I BS(2)固定Rb值不变，求临界饱和时的Rcmin可得 Rcmin=1.4K Oo解：分析三极管电路。同样要抓住三极管三种工

11、作状态的条件和特点。(1)当uI=Uil=0时:由于uI<Uon=0.6V时，管子工作在截止状态；当uI=Uih=5V时：三极管导通ib=(5-0.7)/40=0.1075mA,ic=80X0.1075=8.6mA,uce=Ucc-icRc=128.6X2=62V,故可判断出管子工作在饱和状态ics=(UccUces)/Rc尸(12-0.3)/2=5.85mA,IBS=ICS/P=0.073mA,(3)固定RC值不变，求临界饱和时的Rbmax临界饱和时，4可得Rbmax=61KQo工内容总结二、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“黑箱”的方法理解元件的外特性及开关特性。三思考题1共价键结构，本征半导体，自由电