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第8章半导体器件及特性8.1半导体基础知识

8.2晶体二极管

8.3晶体管

8.4场效应晶体管

8.5晶闸管本章小结第8章半导体器件及特性8.1半导体基础知识

8.2晶体8.1半导体基础知识8.1.1本征半导体

8.1.2杂质半导体

8.1.3PN结8.1半导体基础知识8.1.1本征半导体

8.1.2杂8.1.1本征半导体图8-1硅或锗简化

原子结构模型8.1.1本征半导体图8-1硅或锗简化

原子结构模型8.1.1本征半导体图8-2本征半导体共价键晶体结构示意图8.1.1本征半导体图8-2本征半导体共价键晶体结构示意8.1.1本征半导体图8-3本征半导体中的自由电子和空穴8.1.1本征半导体图8-3本征半导体中的自由电子和空穴8.1.2杂质半导体1.N型半导体

2.P型半导体8.1.2杂质半导体1.N型半导体

2.P型半导体1.N型半导体图8-4N型半导体共价键结构1.N型半导体图8-4N型半导体共价键结构2.P型半导体图8-5P型半导体的共价键结构2.P型半导体图8-5P型半导体的共价键结构8.1.3PN结1.PN结的形成

2.PN结的单向导电特性8.1.3PN结1.PN结的形成

2.PN结的单向导电特性1.PN结的形成图8-6平衡状态下的PN结1.PN结的形成图8-6平衡状态下的PN结2.PN结的单向导电特性图8-7PN结单向导电特性2.PN结的单向导电特性图8-7PN结单向导电特性8.2晶体二极管8.2.1晶体二极管的结构

8.2.2二极管的伏安特性

8.2.3二极管的主要参数

8.2.4二极管的主要应用

8.2.5稳压二极管8.2晶体二极管8.2.1晶体二极管的结构

8.2.28.2.1晶体二极管的结构图8-8晶体二极管结构示意图及图形符号8.2.1晶体二极管的结构图8-8晶体二极管结构示意图及8.2.2二极管的伏安特性1.正向特性

2.反向特性

3.反向击穿特性8.2.2二极管的伏安特性1.正向特性

2.反向特性

3.8.2.2二极管的伏安特性图8-9二极管伏安特性曲线8.2.2二极管的伏安特性图8-9二极管伏安特性曲线1.正向特性正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。这一电压称为开启电压，用Uon表示。室温下，硅管的Uon=0.5～0.6V，锗管的Uon=0.1～0.2V。通常认为,当正向电压u＜Uon时,二极管截止，这个区域称为死区；u＞Uon时,二极管导通。正向特性在小电流时，呈现出指数变化规律，电流较大以后近似按直线上升。二极管正向导通后的管压降近似恒定，硅管为0.6～0.8V，一般取0.7V；锗管为0.1～0.2V，一般取0.2V。1.正向特性正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。2.反向特性二极管加反向电压,反向电流数值很小,且基本不变,称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安(nA)数量级,锗管为微安(μA)数量级。这时，二极管呈现很大的反向电阻，处于截止状态。2.反向特性二极管加反向电压,反向电流数值很小,且基本不变,3.反向击穿特性当反向电压加到一定值时,反向电流急剧增加,产生反向击穿。普通二极管反向击穿电压(UBR)一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。通常二极管工作时，不允许工作在反向击穿状态。3.反向击穿特性当反向电压加到一定值时,反向电流急剧增加,产8.2.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF它是二极管允许通过的最大正向平均电流。

(2)最大反向工作电压UR这是二极管允许的最大工作电压。

(3)反向电流IR指二极管未击穿时的反向电流值。

(4)最高工作频率fMfM主要取决于PN结结电容的大小,结电容越大,二极管允许的最高工作频率越低。

(5)二极管的直流电阻RD加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比,称为二极管的直流电阻RD。

(6)二极管的交流电阻rd在二极管工作点附近,电压的微变值ΔU与相应的微变电流值ΔI之比,称为该点的交流电阻rd，即rd=ΔU/ΔI。8.2.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF它是二极(1)最大整流电流IF

它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于IF,如超过IF,二极管将因过热而烧毁。此值取决于PN结的面积、材料和散热情况。(1)最大整流电流IF它是二极管允许通过的最大正向平均电流(2)最大反向工作电压UR

这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时,二极管可能被击穿。为了留有余地,通常取击穿电压的一半作为UR。(2)最大反向工作电压UR这是二极管允许的最大工作电压。当(3)反向电流IR

指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小,二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成,所以IR值受温度的影响很大。(3)反向电流IR指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小,(4)最高工作频率fM

fM主要取决于PN结结电容的大小,结电容越大,二极管允许的最高工作频率越低。

(4)最高工作频率fM

(5)二极管的直流电阻RD

加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比,称为二极管的直流电阻RD。

(5)二极管的直流电阻RD

(6)二极管的交流电阻rd

在二极管工作点附近,电压的微变值ΔU与相应的微变电流值ΔI之比,称为该点的交流电阻rd，即rd=ΔU/ΔI。

(6)二极管的交流电阻rd

8.2.4二极管的主要应用1.二极管整流电路

2.二极管限幅电路

3.二极管电平选择电路8.2.4二极管的主要应用1.二极管整流电路

2.二极管限1.二极管整流电路图8-10二极管半波整流电路及波形1.二极管整流电路图8-10二极管半波整流电路及波形2.二极管限幅电路图8-11二极管上限幅电路及波形2.二极管限幅电路图8-11二极管上限幅电路及波形3.二极管电平选择电路图8-12二极管低电平选择电路及波形3.二极管电平选择电路图8-12二极管低电平选择电路及波形8.2.5稳压二极管1.稳压二极管的特性

2.稳压二极管的主要参数8.2.5稳压二极管1.稳压二极管的特性

2.稳压二极管的1.稳压二极管的特性图8-13稳压二极管及其特性曲线1.稳压二极管的特性图8-13稳压二极管及其特性曲线2.稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZUZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。

(2)额定功耗PZmPZm是由管子结温限制所限定的参数。

(3)稳压电流IZIZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。

(4)动态电阻rZrZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。

(5)温度系数α

α是反映稳定电压值受温度影响的参数，用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。2.稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZUZ是指击穿后在(1)稳定电压UZ

UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，即使同型号的稳压二极管，UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。(1)稳定电压UZUZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端(2)额定功耗PZm

PZm是由管子结温限制所限定的参数。PZm与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。

(2)额定功耗PZm

(3)稳压电流IZ

IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。

(3)稳压电流IZ

(4)动态电阻rZ

rZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。

(4)动态电阻rZ

(5)温度系数α

α是反映稳定电压值受温度影响的参数，用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。

(5)温度系数α

8.3晶体管8.3.1晶体管的结构及类型

8.3.2放大状态下晶体管中载流子的传输过程

8.3.3晶体管伏安特性曲线

8.3.4晶体管的主要参数8.3晶体管8.3.1晶体管的结构及类型

8.3.2放8.3.1晶体管的结构及类型图8-14晶体管的结构示意图和图形符号8.3.1晶体管的结构及类型图8-14晶体管的结构示意图8.3.2放大状态下晶体管中载流子的传输过程1.发射区向基区发射电子的过程

2.电子在基区的扩散和复合的过程

3.扩散到集电结的电子被集电区收集的过程

4.电流分配关系8.3.2放大状态下晶体管中载流子的传输过程1.发射区向基8.3.2放大状态下晶体管中载流子的传输过程图8-15晶体管内载流子的运动和各极电流8.3.2放大状态下晶体管中载流子的传输过程图8-15晶1.发射区向基区发射电子的过程由于发射结正偏，发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN，与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。因为发射区相对基区是重掺杂，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以满足IEP≪IEN，IEP可忽略不计。因此，发射极电流IE≈IEN，其方向与电子注入方向相反。1.发射区向基区发射电子的过程由于发射结正偏，发射区将有大量2.电子在基区的扩散和复合的过程扩散到基区的电子，成为基区中的非平衡少子，它在靠近发射结处浓度最大，而在集电结处浓度最小。因此，在基区中形成了非平衡电子的浓度差。在该浓度差作用下，扩散到基区的电子将继续向集电结方向扩散。在扩散过程中，有一部分电子与基区的空穴相遇而复合，同时电源不断地向基区补充空穴，形成基极复合电流IBN，它是基极电流IB的主要部分。非平衡电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合而失去。但由于基区很薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少，即IBN很小，而绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。2.电子在基区的扩散和复合的过程扩散到基区的电子，成为基区中3.扩散到集电结的电子被集电区收集的过程由于集电结反偏置，有利于电子的漂移，因而使扩散到集电结边缘的电子几乎全部漂移到集电区，形成集电区的电子电流ICN。该电流是构成集电极电流IC的主要部分。另外，集电区和基区的少子在集电结反向电压作用下，向对方漂移形成集电结反向饱和电流ICBO，并流过集电极和基极支路，构成IC、IB的另一小部分电流。它数值很小，通常可以忽略，但受温度影响大，容易使管子工作不稳定，应设法减小。3.扩散到集电结的电子被集电区收集的过程由于集电结反偏置，有4.电流分配关系由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：IE≈IEN=IBN+ICNIB=IBN-ICBOIC=ICN+ICBOIE=IB+ICIE、IB、IC三者的大小取决于UBE的大小，UBE增加，发射区的载流子增多，IE、IB、IC都相应增加。4.电流分配关系由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部8.3.3晶体管伏安特性曲线1.输入特性曲线

2.输出特性曲线8.3.3晶体管伏安特性曲线1.输入特性曲线

2.输出特性8.3.3晶体管伏安特性曲线图8-16晶体管共发射极特性曲线测试电路8.3.3晶体管伏安特性曲线图8-16晶体管共发射极特性1.输入特性曲线图8-17共发射极接法晶体管的输入特性曲线1.输入特性曲线图8-17共发射极接法晶体管的输入特性曲线2.输出特性曲线(1)截止区在截止区，晶体管的两个结均处于反向偏置状态。

(2)放大区曲线上近似水平的部分是放大区。

(3)饱和区晶体管工作在饱和区时,发射结和集电结都处于正向偏置状态。2.输出特性曲线(1)截止区在截止区，晶体管的两个结均处于2.输出特性曲线图8-18共发射极接法的晶体管的输出特性曲线2.输出特性曲线图8-18共发射极接法的晶体管的输出特性曲(1)截止区在截止区，晶体管的两个结均处于反向偏置状态。在截止区，晶体管的两个结均处于反向偏置状态。习惯上将IB≤0的区域称为截止区,如图8-18所示IB=0的曲线以下部分。此时IC也近似为零,因而晶体管没有放大作用。其实IB=０时,IC并不等于零,而是等于穿透电流ICEO。一般硅晶体管的穿透电流小于1μA,在特性曲线上无法表示出来。锗晶体管的穿透电流约几十至几百微安。当发射结反向偏置时,发射区不再向基区注入电子,则晶体管处于截止状态。所以,在截止区,对NPN晶体管,UBE＜Uon,而UBC＜0。(1)截止区在截止区，晶体管的两个结均处于反向偏置状态。在(2)放大区曲线上近似水平的部分是放大区。曲线上近似水平的部分是放大区。晶体管工作在放大区时，发射结正向偏置,集电结反向偏置。在曲线上近似水平的部分,表示当IB一定时,IC的值基本上不随UCE而变化。在放大区内,当基极电流发生微小的变化量ΔIB时,相应的集电极电流将产生较大的变化量ΔIC,此时二者的关系为ΔIC=βΔIB，集电极电流主要受基极电流的控制，体现了晶体管的电流放大作用。(2)放大区曲线上近似水平的部分是放大区。曲线上近似水平的(3)饱和区晶体管工作在饱和区时,发射结和集电结都处于正向偏置状态。此时，曲线靠近纵轴附近,各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。在这个区域,不同IB值的各条特性曲线几乎重叠在一起,即当UCE较小时,管子的集电极电流IC基本上不随基极电流IB而变化,这种现象称为饱和。(3)饱和区晶体管工作在饱和区时,发射结和集电结都处于正向8.3.4晶体管的主要参数1.电流放大系数和β

2.极间反向电流

3.击穿电压

4.集电极最大允许电流ICM

5.集电极最大允许耗散功率PCM8.3.4晶体管的主要参数1.电流放大系数和β

2.极间反1.电流放大系数和β1)共发射极交流电流放大系数β。

2)共发射极直流电流放大系数1.电流放大系数和β1)共发射极交流电流放大系数β。

2)共2.极间反向电流ICBO指发射极开路时，集电极—基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。ICEO指基极开路时，集电极—发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。IEBO指集电极开路时，发射极—基极间的反向电流。选用管子时，一般希望极间的反向电流尽量小些，以减小温度对管子的影响。2.极间反向电流ICBO指发射极开路时，集电极—基极间的反向3.击穿电压UCBO指发射极开路时，集电极—基极间的反向击穿电压。UCEO指基极开路时，集电极—发射极间的反向击穿电压。UEBO指集电极开路时，发射极—基极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。3.击穿电压UCBO指发射极开路时，集电极—基极间的反向击穿4.集电极最大允许电流ICMICM一般指β下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流。当iC＞ICM时，虽然管子不致于损坏，但β值已经明显减小。因此，晶体管线性运用时，iC不应超过ICM。4.集电极最大允许电流ICMICM一般指β下降到正常值的2/5.集电极最大允许耗散功率PCM图8-19功耗曲线5.集电极最大允许耗散功率PCM图8-19功耗曲线8.4场效应晶体管8.4.1结型场效应晶体管的结构及工作原理

8.4.2结型场效应晶体管的特性曲线

8.4.3场效应晶体管的参数8.4场效应晶体管8.4.1结型场效应晶体管的结构及工作8.4.1结型场效应晶体管的结构及工作原理图8-20结型场效应晶体管的结构示意图及图形符号8.4.1结型场效应晶体管的结构及工作原理图8-20结型8.4.1结型场效应晶体管的结构及工作原理图8-21栅源电压对沟道及的控制作用示意图8.4.1结型场效应晶体管的结构及工作原理图8-21栅源8.4.2结型场效应晶体管的特性曲线1.转移特性曲线

2.输出特性曲线8.4.2结型场效应晶体管的特性曲线1.转移特性曲线

2.1.转移特性曲线图8-22N沟道结型场效应晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线1.转移特性曲线图8-22N沟道结型场效应晶体管的转移特性2.输出特性曲线(1)恒流区(又称饱和区)恒流区相当于双极型晶体管的放大区。

(2)可变电阻区当uDS很小、|uDS-uGS|＜|UGS（off）|时，即预夹断前，uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响iD的大小。

(3)截止区(又称夹断区)当|uGS|＞|UGS(off)|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。

(4)击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大，iD急剧升上，特性曲线进入击穿区。2.输出特性曲线(1)恒流区(又称饱和区)恒流区相当于双极(1)恒流区(又称饱和区)恒流区相当于双极型晶体管的放大区。1)当UGS（off）＜uGS＜0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS关系符合式(8-10)，uGS对iD的控制能力很强。

2)uGS固定，uDS增大，iD增大得极小。(1)恒流区(又称饱和区)恒流区相当于双极型晶体管的放大区(2)可变电阻区当uDS很小、|uDS-uGS|＜|UGS（off）|时，即预夹断前，uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响iD的大小。

(2)可变电阻区

(3)截止区(又称夹断区)当|uGS|＞|UGS(off)|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。

(3)截止区(又称夹断区)

(4)击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大，iD急剧升上，特性曲线进入击穿区。

(4)击穿区

8.4.3场效应晶体管的参数(1)开启电压UGS(th)开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应晶体管不能导通。

(2)夹断电压UGS(off)夹断电压是当UDS为一固定值时，使iD等于某一微小电流时，栅源极间的所加的电压。

(3)饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应晶体管,当UGS=0时,场效应晶体管发生预夹断时的漏极电流。

(4)直流输入电阻RGS场效应晶体管的栅源输入电阻的典型值，等于栅源电压与栅极电流之比。

(5)低频跨导gm低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用。

(6)最大漏极功耗PDM最大漏极功耗可由PDM=UDSID决定，与晶体管的PCM相当。8.4.3场效应晶体管的参数(1)开启电压UGS(th)(1)开启电压UGS(th)

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应晶体管不能导通。

(1)开启电压UGS(th)

(2)夹断电压UGS(off)夹断电压是当UDS为一固定值时，使iD等于某一微小电流时，栅源极间的所加的电