第1A章 基本半导体分立器件

1、第第 1 1 章章基本半导体分立器件基本半导体分立器件 本章点睛本章点睛各种基本电子各种基本电子器件器件能完成某种能完成某种功能的电子功能的电子电路电路复杂的电子复杂的电子电路系统电路系统电子技术电子技术尹常永主编尹常永主编 问题1：这一章要学什么呢? 问题2：“分立”是什么意思？ 问题3：顾名思义，半导体器件一定是由半导体材料制成的，为什么其他材料，比如说导体不能作为构成电子器件的主要材料呢？在进行本章的学习之前，先来看看下面的3个问题。二极管二极管半导体基础知识与半导体基础知识与PN结结晶体管晶体管场效应管场效应管本章小结本章小结1.1 半导体基础知识与半导体基础知识与PNPN结结 主要要

2、求：主要要求： 了解了解半导体半导体材料的基本知识材料的基本知识理解关于理解关于半导体半导体的基本概念的基本概念理解理解PNPN结的形成结的形成掌握掌握PNPN结的单向导电作用结的单向导电作用 常用的半导体材料有常用的半导体材料有硅（硅（SiSi）和和锗（锗（GeGe），高纯度，高纯度的硅和锗都是单晶结构，它们的原子整齐地按一定规律排的硅和锗都是单晶结构，它们的原子整齐地按一定规律排列，原子间的距离不仅很小，而且是相等的。把这种纯净列，原子间的距离不仅很小，而且是相等的。把这种纯净的、原子结构排列整齐的半导体称为的、原子结构排列整齐的半导体称为本征本征半导体。半导体。1.1.1 本征半导体本征

3、半导体 硅和锗的硅和锗的外层价电子都外层价电子都是是4 4个，所以个，所以都是都是4 4价价元素，元素，右图是硅和锗右图是硅和锗的原子结构示的原子结构示意图。意图。（a）硅原子结构）硅原子结构 （b）锗原子结构）锗原子结构 这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示：原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示：价电子（热激发）价电子（热激发）自由电子自由电子- -空穴对空穴对（1 1）温度越高，自由电子）温度越高，自由电子- -空穴空穴对数目越多；对数目越多；（2 2）自由电子）自由电子- -空

4、穴数目相等，空穴数目相等，对外不显电性。对外不显电性。硅（锗）原子在晶体中的共价键排列硅（锗）原子在晶体中的共价键排列复合复合平衡平衡1.1.本征激发与复合本征激发与复合2.2.自由电子运动与空穴运动自由电子运动与空穴运动 I=In（电子电流）（电子电流）+Ip（空穴电流）（空穴电流）INIP外电路中的电流外电路中的电流 I 本征半导体实际使用价值不大，但如本征半导体实际使用价值不大，但如果在本征半导体中果在本征半导体中掺入微量某种杂质元素掺入微量某种杂质元素，就形成了广泛用来制造半导体元器件的就形成了广泛用来制造半导体元器件的N N型型和和P P型型半导体。半导体。1.1.2杂质半导体杂质半

5、导体 根据掺入杂质的不同掺杂半导体可以分为根据掺入杂质的不同掺杂半导体可以分为N型半导体型半导体P型半导体型半导体 （1）N型半导体型半导体杂质为少量杂质为少量5价元素，如磷（价元素，如磷（P）；）； （2） P型半导体型半导体杂质为少量杂质为少量3价元素，如硼（价元素，如硼（B）。）。 1.1.2杂质半导体杂质半导体N 型型磷原子磷原子自由电子自由电子自由电子自由电子多多数载流数载流子子空穴空穴少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数P 型型硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子自由电子自由电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数注意：注意： 无论是无论是N型还是型还是P型半导

6、体都是电型半导体都是电中性，对外不显电性！中性，对外不显电性！1.1.3 PN结形成与单向导电性结形成与单向导电性什么是什么是PNPN结？结？ PNPN结是结是P P型与型与N N型半导体区域交界处的特殊带电薄层，型半导体区域交界处的特殊带电薄层，具有特殊的单向导电性，是半导体元器件制造的基础单元。具有特殊的单向导电性，是半导体元器件制造的基础单元。1.1.3 PN结形成与单向导电性结形成与单向导电性载流子载流子浓度差浓度差复复合合(耗尽层耗尽层)内电场内电场阻碍阻碍多子扩散多子扩散帮助帮助少子漂移少子漂移扩散扩散漂移漂移动态动态平衡平衡 注意：动态平衡的注意：动态平衡的PN结交界面上无电流流

7、过，即结交界面上无电流流过，即 I = 0。内电场内电场PNPN结的形成结的形成 多多子子扩扩散散空间空间电荷电荷区区平衡平衡PN结结P区区N区区1.1.3 PN结形成与特性结形成与特性 （1 1）PNPN结的正向导通特性结的正向导通特性正偏导通（正偏导通（P P区电位高于区电位高于N N区）区）内电场内电场外电场外电场 所以，正偏时扩散运所以，正偏时扩散运动增强，漂移运动几乎减动增强，漂移运动几乎减小为小为0 0，宏观上形成很大的，宏观上形成很大的正向电流正向电流 I IF F 。 外电场越强，正向外电场越强，正向电流越大，电流越大，PNPN结的正向电结的正向电阻越小。阻越小。P区区N区区多

8、子空穴多子空穴多子自由电子多子自由电子正向电流正向电流IF+ UR +UR1.1.3 PN结形成与特性结形成与特性 （2 2）PNPN结的反向截止特性结的反向截止特性反偏截止（反偏截止（P P区电位低于区电位低于N N区）区）P区区N区区少子自由电子少子自由电子 少子空穴少子空穴反向电流反向电流IR内电场内电场外电场外电场 所以，反偏时漂移运所以，反偏时漂移运动增强，扩散运动几乎减动增强，扩散运动几乎减小为小为0 0，由于少子数目较少，由于少子数目较少，宏观上形成极小的反向电宏观上形成极小的反向电流流I IR R （接近于（接近于0 0） 。 外电场增强，反向外电场增强，反向电流也几乎不增加，

9、电流也几乎不增加，PNPN结结的反向电阻很大。的反向电阻很大。1.1.3 PN结形成与特性结形成与特性要记住：要记住：（1）外加正向电压时）外加正向电压时PN结的正向电阻结的正向电阻很小，电流较大，是多子扩散形成的；很小，电流较大，是多子扩散形成的； （2）外加反向电压时）外加反向电压时PN结的反向电阻结的反向电阻很大，电流极小，是少子漂移形成的。很大，电流极小，是少子漂移形成的。要注意：要注意： PN结电路中要串联限流电阻。结电路中要串联限流电阻。1.2 二极管二极管主要要求：主要要求： 了解了解半导体二极管的结构、类型、特性与参数半导体二极管的结构、类型、特性与参数掌握半导体二极管在电子技

10、术中的应用掌握半导体二极管在电子技术中的应用1.2.1 二极管概述二极管概述 一个一个PNPN结加上相应的外引线，然后用外壳封装结加上相应的外引线，然后用外壳封装就成为最简单的二极管了，其中，从就成为最简单的二极管了，其中，从P P区引出的引区引出的引线叫做阳极或正极、从线叫做阳极或正极、从N N区引出的引线叫做阴极或区引出的引线叫做阴极或负极。负极。 常用常用D D （DiodeDiode）表示二极管。）表示二极管。 图中的箭头表示正偏时图中的箭头表示正偏时的正向电流方向。的正向电流方向。1.1. 二极管的符号与常见外形二极管的符号与常见外形分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极

11、管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型点接触型点接触型金属触丝金属触丝N 型锗型锗P型层型层阳极阳极阴极阴极 面接触型面接触型P型扩散层型扩散层锡锡支架支架N型硅型硅SiO2保护层保护层阴极阴极阳极阳极1. 1. 常见二极管的外形常见二极管的外形2 . 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 半导体二极管的内部就是一个半导体二极管的内部就是一个PNPN结，因此二极管具有和结，因此二极管具有和PNPN结相同的单向导电性，实际的二极管伏安特性曲线如下结相同的单向导电性，实际的二极管伏安特性曲线如下图所示：图所示：u/Vi/mA正向特性正向特性死区死区电压电压反向特性反向特性IS0A击

12、穿击穿电压电压击穿特性击穿特性反向反向电流电流硅管硅管2CP12锗管锗管2AP9 3. 二极管的特性与参数二极管的特性与参数 PN 结的正向和反向电流与外加电压的关系结的正向和反向电流与外加电压的关系可以用公式表示为：可以用公式表示为：) 1(TU/USeII反向饱反向饱和电流和电流温度的电压当量，常温下温度的电压当量，常温下： UT = 26 mV当当U0时为正向特性；当时为正向特性；当U0时为反向特性。时为反向特性。3. 二极管的特性与参数二极管的特性与参数 2.2.二极管的主要参数二极管的主要参数 （1 1）最大整流电流）最大整流电流I IF F指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电

13、流值。指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。（2 2）最高反向工作电压）最高反向工作电压U UBRBR指二极管不击穿时所允许加的最高反向电压，指二极管不击穿时所允许加的最高反向电压，U UBRBR通常是反向击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。通常是反向击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。（3 3）反向电流）反向电流I IR R在常温下和规定的反偏电压下的反向电流。在常温下和规定的反偏电压下的反向电流。1.2.2 稳压二极管稳压二极管【相关链接】稳压二极管的温度特性1.2.3 发光二极管发光二极管 1. 1. 发光二极管的符号及特性发光二极管的符号及特性 发光二极管是一种将电能直接

14、转换成光能的固体器件，发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称简称LEDLED（L Light ight E Emitting mitting D Diodeiode）。）。 和普通二极管相和普通二极管相似，似，LEDLED也是由一个也是由一个PNPN结组成的，当正向导结组成的，当正向导通时可以发出一定波通时可以发出一定波长的可见光，常有长的可见光，常有红、红、绿、黄绿、黄等颜色。等颜色。 也有可以发出也有可以发出红外光红外光等不可见光的发光二极管。等不可见光的发光二极管。1.2.3 发光二极管发光二极管 发光二极管具有驱动电压低、工作电流小、具有发光二极管具有驱动电压低、工作电流

15、小、具有很强的抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、很强的抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛应用于信号指示等电耗电省和寿命长等优点，广泛应用于信号指示等电路中。路中。 一般一般LEDLED的工作电流为的工作电流为几十几十 mAmA，正向导通压降，正向导通压降为为（1.5 1.5 3) V3) V，安全使用电压应选择安全使用电压应选择5V5V以下。以下。1.2.3 发光二极管发光二极管（a a）反偏）反偏 （b b）正偏）正偏1.2.4 二极管的应用电路举例二极管的应用电路举例 二极管是电子电路中常用的半导体器件，利用其单向导电性和正向压降很小的特点，可应用于整流、

16、检波、钳位、限幅、开关以及元件保护等各项工作。 1.1.整流应用整流应用整流就是利用二极管的单向导电特性将交流电变成单方向脉动的直流电的过程，这部分内容将在第6章作详细介绍。 1.2.4 二极管的应用电路举例二极管的应用电路举例 2. 2. 限幅限幅 利用二极管正向导通后两端电压很小且基本不变的特利用二极管正向导通后两端电压很小且基本不变的特性可以构成各种限幅电路，使输出电压限制在某一电压值性可以构成各种限幅电路，使输出电压限制在某一电压值以内。下图为一正、负对称限幅电路以内。下图为一正、负对称限幅电路:u:ui i=5sint=5sint（V V），），U US1S1=U=US2S2=3V=

17、3V。可见，如忽略二极管正向导通压降，输出被限。可见，如忽略二极管正向导通压降，输出被限制在大约制在大约3V3V之间。之间。 OtuO/ V3 3-5ui / VOt53-31.2.4 二极管的应用电路举例二极管的应用电路举例 3. 3. 稳压应用稳压应用 4. 4. 开关应用开关应用图1.2.8 光电耦合装置的应用5光电转换与隔离光电转换与隔离 二极管的极性判别与性能二极管的极性判别与性能测试测试: : （1 1）二极管的极性判别）二极管的极性判别 （2 2）性能测试）性能测试1.3 晶体管晶体管主要要求：主要要求： 了解了解半导体晶体管的结构、类型与参数半导体晶体管的结构、类型与参数掌握半

18、导体晶体管的电流分配关系掌握半导体晶体管的电流分配关系掌握半导体晶体管的特性曲线的含义掌握半导体晶体管的特性曲线的含义理解晶体管的放大作用理解晶体管的放大作用了解复合晶体管的概念与意义了解复合晶体管的概念与意义 晶体管的结构晶体管的结构1.3.1 晶体管的结构和类型晶体管的结构和类型NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区NPN 型型ECB三区三区三极三极两结两结集电区集电区基区基区发射区发射区集电极集电极 Collector基极基极Base发射极发射极Emitter集电结集电结发射结发射结 集电区集电区 发射区发射区PPNPNP型型 常见三极管的外

19、形与实物常见三极管的外形与实物 下面以下面以NPNNPN管为例讨论晶体管的电流分配管为例讨论晶体管的电流分配与放大作用，所得结论一样适用于与放大作用，所得结论一样适用于PNPPNP三极管。三极管。1.3.2 晶体管的基本工作原理晶体管的基本工作原理注意：晶体管放大的条件注意：晶体管放大的条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度发射区掺杂浓度高高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏晶体管电流关系实验电路晶体管电流关系实验电路1.晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系1.晶体管的电流放大作用晶体管的电流放大作用三极管的电流

20、放大作用三极管的电流放大作用 晶体管电流分配和放大作用晶体管电流分配和放大作用正偏使发正偏使发射结射结使集电结使集电结反偏反偏1.1.发射区向基区发射区向基区发射电子，形成发射电子，形成发射极电流发射极电流I IE E的的主要成份。主要成份。IE2.2.基区中电子的基区中电子的复合形成基极电复合形成基极电流流I IB B的主要成份。的主要成份。IB3.3.集电区收集电集电区收集电子形成集电极电子形成集电极电流流I IC C的主要成份。的主要成份。IC综上所述，得到三极管的电流分配关系：综上所述，得到三极管的电流分配关系：（1 1）I IE E=I=IC C+I+IB B（2 2）I IC C=

21、I=IB B（3 3）I IE E=I=IC C+I+IB B = =（1+ 1+ ）I IB B I IC C 晶体管中还有一些少子电流，比如晶体管中还有一些少子电流，比如I ICBOCBO ，通常可以忽略不计，但它们对温度十，通常可以忽略不计，但它们对温度十分敏感。分敏感。1.3.3 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线 晶体管有三个电极，因此，分别将三晶体管有三个电极，因此，分别将三极管的三个电极作为输入端、输出端和公极管的三个电极作为输入端、输出端和公共端，有三种不同的三极管电路的组成方共端，有三种不同的三极管电路的组成方式。根据公共电极的不同，分别叫做共发式。根据公共电极的不同，分别叫做

22、共发射极电路、共集电极电路和共基极电路。射极电路、共集电极电路和共基极电路。1.3.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线 1. 1. 输入特性曲线输入特性曲线 常数常数 CE)(BEBuufiuCE1V，集电结反，集电结反偏，电场足以将发射偏，电场足以将发射区扩散到基区的载流区扩散到基区的载流子吸收到集电区形成子吸收到集电区形成IC， uCE 再增大曲线再增大曲线也几乎不变也几乎不变死区死区电压与电压与导通电压导通电压UBE硅管分别约为硅管分别约为0.5V和和0.7V锗管分别约为锗管分别约为0.1V和和0.3V（1）截止区）截止区iB=0曲线以曲线以下的区域：下的区域： iC= ICEO 0，

23、两结均反偏，两结均反偏，三极管各电极电流均约等于三极管各电极电流均约等于0，所以可以等效为断开的开关；所以可以等效为断开的开关；1.3.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线 2. 2. 输出特性曲线输出特性曲线 常数常数 B)(CECiufi放放 大大 区区截止区截止区ICEO饱饱和和区区（2）放大区）放大区在在iB=0的特的特性曲线上方，近似平行于横性曲线上方，近似平行于横轴的曲线族部分：轴的曲线族部分： iC基本不随基本不随uCE变化仅受变化仅受iB控制，控制，iC=iB，发射结正偏、，发射结正偏、集电结反偏，相当于受控电集电结反偏，相当于受控电流源。流源。 uCE /ViC / mA10

24、0 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 2 4 6 8 10 252015105（3）饱和区）饱和区输出特性曲输出特性曲线近似直线上升部分：线近似直线上升部分： 三极管饱和时管压降三极管饱和时管压降uCE很小，叫做饱和压降很小，叫做饱和压降uCES，两结均正偏，相当于闭合开两结均正偏，相当于闭合开关。关。 1.3.4 三极管的主要参数三极管的主要参数1.1.电流放大系数电流放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数直流电流放大系数直流电流放大系数 交流、直流电流放大系数的意义不同，但在输出特性线交流、直流电流放大系数的意义不同，但在输出特性线性良好的情况下，两个数值的性良好的情况下

25、，两个数值的差别很小差别很小，一般不作严格区分。，一般不作严格区分。常数CEuiiBCIIIIIBCBCEOC1.3.4 三极管的主要参数三极管的主要参数2.2.极间反向电流极间反向电流集、基间反向饱和电流集、基间反向饱和电流ICBO集、射间反向饱和电流集、射间反向饱和电流（穿透电流）（穿透电流）ICEO 测试电路测试电路ICBO测试电路测试电路ICEO反向电流反向电流受温度受温度影响大影响大越小越好越小越好1.3.4 三极管的主要参数三极管的主要参数 3.极限参数极限参数 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM反向击穿电压反向击穿电压U(BR)CEO集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗

26、散功率PCM集电极电流超集电极电流超过一定数值时过一定数值时要下降要下降击穿时三极击穿时三极管电流急剧管电流急剧增大，会使增大，会使三极管损坏三极管损坏功耗过高会烧毁三极管功耗过高会烧毁三极管PuiPCMCECC3.3.极限参数极限参数和和4.4.温度对晶体管参数的影响温度对晶体管参数的影响晶体管受温度影响较大的参数是晶体管受温度影响较大的参数是ICBOICEO1.3.5 晶体管在电子技术的应用晶体管在电子技术的应用1.1.放大应用放大应用2.2.开关应用开关应用（a a）开关电路（）开关电路（b b）截止时的等效电路（）截止时的等效电路（c c）饱和时的等效电路）饱和时的等效电路【相关链接】

27、你会用万用表对三极管的电极与性能进行简单的测试吗？【相关链接】你会用万用表对三极管的电极与性能进行简单的测试吗？1.4 场效晶体管场效晶体管主要要求：主要要求： 了解了解场效应管的结构、特点场效应管的结构、特点了解场效应管的原理、特性曲线与参数了解场效应管的原理、特性曲线与参数 场效应管是一种利用场效应管是一种利用电场效应电场效应来控制其电流来控制其电流大小的半导体三极管，是利用一种载流子导电的大小的半导体三极管，是利用一种载流子导电的单极型单极型器件。器件。特点特点：具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、：具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点，制作工艺简单、抗辐射能力

28、强、耗电省等优点，制作工艺简单、便于集成。便于集成。 1. 1. N N沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管MOSFETMOSFET的结构的结构 ( (M Mental ental O Oxide xide S Semiconductor emiconductor F Field ield E Effect ffect T Transistor)ransistor)1.4.1 绝缘栅场效应管的原理和特性绝缘栅场效应管的原理和特性P P 型硅衬底型硅衬底S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 DrainD SGSiOSiO2 2绝缘体绝缘体金属铝金属铝N N沟

29、道沟道DGS 还有多种其他类型的场效应管，比如还有多种其他类型的场效应管，比如这是这是P P沟道耗尽型场效应管的符号沟道耗尽型场效应管的符号：1.4.1 绝缘栅场效应管的原理和特性绝缘栅场效应管的原理和特性 2.2.场效晶体管的电压控制作用场效晶体管的电压控制作用1 1）MOSMOS管的栅极是绝缘的，因此管子的输入电阻可达管的栅极是绝缘的，因此管子的输入电阻可达10101010欧欧姆以上，故姆以上，故i iG0G0。所以和三极管不同的是：场效应管不是。所以和三极管不同的是：场效应管不是用栅极电流来控制漏极输出电流的，而是利用输入栅源电压用栅极电流来控制漏极输出电流的，而是利用输入栅源电压U U

30、GSGS来控制漏极输出电流来控制漏极输出电流I ID D，是电压控制器件；，是电压控制器件；2 2）和三极管的类似的参数是低频跨导）和三极管的类似的参数是低频跨导 3 3）在场效应管的放大作用中，少子并不参与控制作用，）在场效应管的放大作用中，少子并不参与控制作用，是单极型器件是单极型器件 1.4.1 绝缘栅场效应管的原理和特性绝缘栅场效应管的原理和特性 3. 3. 增强型增强型NMOSNMOS管的特性曲线管的特性曲线 （1 1）转移特性曲线）转移特性曲线 （2 2）漏极特性曲线）漏极特性曲线常数DSGSDu)u(fi常数GSDSDu)u(fi1.4.2 场效应管的主要参数场效应管的主要参数常数DSuiGSDmgu1. 1. 开启电压开启电压当当u uDSDS为常数时，有沟道将漏、源极连接为常数时，有沟道将漏、源极连接起来的最小起来的最小|u|uGSGS| |值，称开启电压。值，称开启电压。2. 2. 低频跨导低频跨导g gm muuDSDS为定值时，为定值时，i iD D的变化量与引起该变化的变化量与引起该变化的的u uGSGS的变化量的比值，它代表了场效应管的电压控制能力，的变化量的比值，它代表了场效应管的电压控制能力，即即3.3.漏源击穿电压漏源击穿电压U U（BRBR）DSDS4. 4. 最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM5. 5. 最大漏极电流最大漏极