常用半导体器件基本知识

1、常用半导体器件基本知识主要内容主要内容 半导体的根本知识与半导体的根本知识与PN结结 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 双极型三极管及其特性参数双极型三极管及其特性参数 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路2学习要求：学习要求：3 4.1 半导体的根本知识与PN结物质的分类物质的分类 绝缘体绝缘体： 1012 cm 如：橡胶、陶瓷、塑料等导体：电阻率导体：电阻率10-4 10-4 cm cm 如：金如：金AuAu、银、银AgAg、铜铜CuCu、锡、锡SnSn 导电性能介于导体与绝缘体之间导电性能介于导体与绝缘体之间，受温度、光照和掺杂程度影响极大 半导体半导体： 10-3

2、cm VT时时,VT称为死区电压。称为死区电压。硅管：硅管： VT0.5V，锗管：锗管：VT0.1V。导通时的正向压降导通时的正向压降硅管：硅管：0.6 0.7V，锗管：锗管：0.2 0.3V。正向特性正向特性1. 正向特性正向特性2. 反向特性反向特性电流很小，几乎为零。电流很小，几乎为零。当当u0时，时，i= Is反向饱和电流反向饱和电流+iDuD二、二、 二极管伏安特性二极管伏安特性12 当反向电压增大至当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。 3.反向击穿特性反向击穿特性6

3、04020 0.02 0.0400.4 0.82550I / mAU / V反向特性反向特性击穿电压击穿电压U(BR)13三、三、 主要参数主要参数 2. 最高反向工作电压最高反向工作电压 UDRM 它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。般是反向击穿电压的一半或三分之二。1. 最大整流电流最大整流电流 IFM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。极管的最大正向平均电流。3. 最大反向电流最大反向电流 IRM 它是指二极管上加反向

4、工作峰值电压时的反向电它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。流值。14四、四、 二极管的电路模型二极管的电路模型 二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的分析法。分析法。oiDuD+iDuD二极管导通后，二极管导通后，硅管：硅管：uD0.7V，锗管：锗管： uD0.3V。相当于一理想开关。相当于一理想开关。2.恒压降模型恒压降模型1. 理想模型理想模型15五、五、 二极管应用电路二极管应用电路 在电子技术中二极管电路得到广泛应用。根本电路有在电子技术中二极管电路得到广泛应用。根本电路有限幅电路、整流电路、钳位电路、开关电路等。限幅电路、

5、整流电路、钳位电路、开关电路等。1. 整流电路整流电路当当us0，D导通，导通，uo=vs；当当usUON时，时，D1导通，导通，D2截止，截止， uo=0.7V； 当当uS UON时，时，D2导通，导通，D1截止，截止， uo=0.7V； 当当| uS | UON时，时，D1、D2均截止，均截止， uo= us。输出电压被。输出电压被限幅在限幅在 0.7V，称双向限幅电，称双向限幅电路。路。17例例4.1在图中，输入电位在图中，输入电位 UA = + 3 V， UB = 0 V， 电阻电阻 R 接负电源接负电源 12 V。求输出端电位。求输出端电位 UO。 因为因为UA 高于高于UB ，所以

6、，所以D1 优优先导通。先导通。 设二极管的正向压降是设二极管的正向压降是 0.3V，那，那么么 UO = + 2.7V。 当当 D1 导通后导通后, D2 因反偏而截因反偏而截止。止。 D1起钳位作用，将输出端电位起钳位作用，将输出端电位钳制在钳制在 + 2.7 V。 解：解：18六、六、 特殊二极管特殊二极管稳压管是一种特殊的面接触稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管型半导体硅二极管。稳压管工作于反向击穿区。工作于反向击穿区。I/mAOUZIZIZM+ 正向正向 +反向反向 UZ IZU/V1. 稳压管稳压管稳压管反向击穿后，电流虽稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但

7、稳然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用路中能起稳压作用19 稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：1. 稳定电压稳定电压UZ 4. 稳定电流稳定电流 IZ、最大、最小稳定电流、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。3. 动态电阻动态电阻 rZ2. 电压温度系数电压温度系数 U %/5. 最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZMZZZIUr maxZZZMIUP 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。20 电阻的作用电阻的作用: 起限流作用，以保护稳压管起限流作用，以保护稳

8、压管； 当输入电压或负载电流变当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。压作用。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。21正常稳压时正常稳压时 UO =UZ 稳压条件是什么？稳压条件是什么？IZmin IZ IZmax不加不加R可以吗？可以吗？当当Ui为正弦波，且幅值大于为正弦波，且幅值大于UZ ， UO的波形是怎样的？的波形是怎样的？222. .发光二极管发光二极管ak 当电流流过时，发光二极管将当电流流

9、过时，发光二极管将发出光来，光的颜色由二极管材发出光来，光的颜色由二极管材料如砷化镓、磷化镓决定。料如砷化镓、磷化镓决定。 发光二极管通常用作显示器发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几件，工作电流一般在几mA至几至几十十mA之间。之间。另一重要作用：将电信号变为另一重要作用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信用光电二极管接收，再现电信号。号。发光二极管的符号发光二极管的符号233. .光电二极管光电二极管akakipup+ a光电二极管的符号光电二极管的符号b光电二极管的等效电路光电二极管的等效电路光电二极管可将光信号转变为电信号

10、。其特点是它的反光电二极管可将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与照度成正比。向电流与照度成正比。24 4.3 双极型三极管及其特性参数 三极管结构与工作原理三极管结构与工作原理 三极管特性曲线及主要参数三极管特性曲线及主要参数25一、一、双极型三极管双极型三极管三极管的结构与符号三极管的结构与符号电流分配与放大作用电流分配与放大作用三极管的特性曲线三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的其它形式三极管的其它形式261. 三极管的结构与符号三极管的结构与符号 半导体三极管简称三极管，是由半导体三极管简称三极管，是由2个个PN结构成的，结构成的，其根本功能：具有电流放大作用

11、。其根本功能：具有电流放大作用。N 型硅型硅BECN 型硅型硅P 型硅型硅( (a) ) 平面型平面型二氧化硅保二氧化硅保护膜护膜铟球铟球N 型锗型锗ECBPP( (b) )合金型合金型铟球铟球27按结构可分为：按结构可分为：NPN型和型和PNP型。型。集电极，集电极，用用C表示表示集电区，掺集电区，掺杂浓度低杂浓度低基极，用基极，用B表示表示基区，薄基区，薄发射区，掺杂发射区，掺杂浓度高浓度高发射结发射结集电结，面积比发集电结，面积比发射结大射结大发射极，发射极，用用E表示表示28发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。becbec NPN型与型与PNP型

12、三极管的工作原理相似，只是使型三极管的工作原理相似，只是使用时所加电源的极性不同。用时所加电源的极性不同。29IEIBICENBCNPEBRBEC30mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100用实验说明三极管的电用实验说明三极管的电流分配与放大作用流分配与放大作用 实验电路采用共发射实验电路采用共发射极接法，极接法，NPN 型管。型管。 为了使三极管具有放大作用，电源为了使三极管具有放大作用，电源 EB 和和 EC 的极性必的极性必须使发射结上加正向电压须使发射结上加正向电压(正向偏置正向偏置)，集电结加反向电压，集电结加反向电压(反反向偏置向偏置)。 改变

13、可变电阻改变可变电阻 RB，那么基极电流，那么基极电流 IB、集电极电流、集电极电流 IC 和和发射极电流发射极电流 IE 都发生变化，都发生变化，2.电流分配与放大作用电流分配与放大作用31IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0UBC UB UEPNP 型三极管应满足型三极管应满足: UEB 0UCB 0即即 UC UB VBVE， PNP型有型有VCVB UB UE 。+iBiCuBEuCEIC IB(2) 截止区截止区IB = 0 时时, IC = ICEO( (很小很小) )

14、。为了使三极管可靠截止，常使为了使三极管可靠截止，常使 UBE 0，截止时集电结，截止时集电结也处于反向偏置也处于反向偏置(UBC 0)，此时，此时, IC 0 。38(3) 饱和区饱和区 当当 UCEUCES 0)，三极管工作于饱，三极管工作于饱和状态。和状态。 在饱和区，在饱和区，IC 和和 IB 不成正比。不成正比。+iBiCuBEuCE 当三极管饱和时，当三极管饱和时，UCE 0，C-E间如同一个开关的接通；间如同一个开关的接通； 当三极管截止时，当三极管截止时，IC 0 ， C-E之间如同一个开关的断开；之间如同一个开关的断开； 可见，三极管除了有放大作用可见，三极管除了有放大作用外

15、，还有开关作用。外，还有开关作用。39 管型管型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截截 止止 UBE/VUCE/V UBE/V UBE/V 开始开始截止截止 可靠可靠截止截止硅管硅管(NPN)锗管锗管(PNP) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1三极管结电压的典型值三极管结电压的典型值+iBiCuBEuCE40例例4.3 （a a） （b b） （c c） （d d） （e e） （f f） （g g） （h h） 测得电路中三极管测得电路中三极管3个电极的电位如下图。问哪些管个电极的电位如下图。问哪些管子工作于放大状态，哪些

16、处于截止、饱和、倒置状态，哪子工作于放大状态，哪些处于截止、饱和、倒置状态，哪些已损坏？些已损坏？41 （a a） （b b） （c c） （d d） a发射结、集电结均反偏，管子截止。发射结、集电结均反偏，管子截止。b发射结反偏、集电结正偏，管子截止。发射结反偏、集电结正偏，管子截止。c发射结正偏、集电结反偏，管子放大。发射结正偏、集电结反偏，管子放大。d发射结、集电结均正偏，管子饱和。发射结、集电结均正偏，管子饱和。42e发射结正偏、集电结反偏，管子放大。发射结正偏、集电结反偏，管子放大。f发射结正偏、集电结反偏，管子放大。发射结正偏、集电结反偏，管子放大。g发射结偏、集电结均正偏，管子饱

17、和。发射结偏、集电结均正偏，管子饱和。hVBE=2.7V，远大于发射结正偏时的电压，远大于发射结正偏时的电压， 故管子已损坏。故管子已损坏。 434.三极管的主要参数三极管的主要参数1电流放大系数电流放大系数 ，直流放大系数直流放大系数BCII QIIBC 交流放大系数交流放大系数 在输出特性曲线近于平行等距并且在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况较小的情况下下, ,可近似认为可近似认为 iCuCEoICEO442极间反向电流极间反向电流1集集-基极间反向饱和电流基极间反向饱和电流ICBOA+ICBOUCC 其大小取决于温度和少数载流其大小取决于温度和少数载流子的浓度。子的浓度

18、。小功率锗管：小功率锗管：ICBO10A，小功率硅管：小功率硅管：ICBO1A。测量电路测量电路2集集-射极间反向饱和穿透电流射极间反向饱和穿透电流ICEOAICEOUCCICEO=1+ICBO ICEO大的管子性能不稳定，通常把大的管子性能不稳定，通常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。作为判断管子质量的重要依据。当工作环境温度变化范围较大时应选硅管。当工作环境温度变化范围较大时应选硅管。453极限参数极限参数1集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM 当当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流称为集电极最大允许电流

19、ICM 。2集集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO表示三极管电极间承受反向电压的能力。表示三极管电极间承受反向电压的能力。当当UCE U(BR)CEO时，时，ICEO，管子损坏。，管子损坏。463集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCMPCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值，表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值，集电结会过热烧毁。集电结会过热烧毁。 PCM= iCuCE 对大功率管为了提高对大功率管为了提高PCM ，通常采用加散热，通常采用加散热装置的方法。装置的方法。iCU(BR)CEOuCEPCMoICEO安安 全全 工工 作作 区区ICM475. 三

20、极管的其它形式三极管的其它形式1复合三极管复合三极管1 2复合管的类型取复合管的类型取决于决于T1管管482光电三极管和光电耦合器光电三极管和光电耦合器 将光信号转变为电流信号，且可将光电流放大将光信号转变为电流信号，且可将光电流放大倍。倍。光电三极管光电三极管光电耦合器光电耦合器实现电实现电-光光-电的传输电的传输和转换。和转换。494.4 4.4 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 共源极放大器共源极放大器 源极输出器源极输出器50 场效应管场效应管Fiedl Effect TransistorFET是利是利用电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一般

21、半导用电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具有输入电阻高有输入电阻高MOSFET最高可达最高可达1015、噪声系、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中得到广泛应用。路以及微波毫米波电路中得到广泛应用。 按结构，场效应管可分两大类：按结构，场效应管可分两大类： 结型场效应管结型场效应管JFET 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管

22、IGFET51 绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为金属铝栅极和半导体之间绝缘层为金属铝栅极和半导体之间绝缘层 ，又称金属，又称金属-氧化物氧化物-半导体场效应管，简称半导体场效应管，简称MOSFET ( Metal-Oxide-Semiconductor FET)。MOSFET可分为可分为增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道一、绝缘栅型场效应管一、绝缘栅型场效应管52结构结构1结构结构 N沟道增强型沟道增强型MOSFET在在P型半导型半导体上生成一层体上生成一层SiO2 薄薄膜绝缘层，然后用光膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺刻工艺扩散两个高掺杂的杂的N型区。型区。栅极栅极G源极源