数字电子技术基础半导体二极管三极管基本知识(补充)课件

2.2半导体二极管和三极管的开关特性导体：铜，银，铝，铁……绝缘体：云母，陶瓷，塑料，橡胶……半导体：硅，锗……半导体得以广泛应用，是因为其导电性能会随外界条件的变化而产生很大的变化。1.

半导体材料使导电性能产生很大变化的外界条件主要有：温度上升，电阻率下降。光照：光照使电阻率降低。掺杂：掺入少量的杂质，会使电阻率大大降低。2.2.1

半导体基本知识12.锗、硅晶体的共价键结构（1）原子结构硅+14锗+32共同特点：最外层具有4个价电子。+42（2）晶格与共价键半导体的共价键结构处于共价键中的电子称为束缚电子。束缚电子能量小，不能参与导电。3空穴的运动半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。半导体中的电流是电子流和空穴流之和。在本征半导体中，自由电子数总等于空穴数，且浓度低，导电能力差。束缚电子填补空穴的运动称空穴的运动。硅原子的价电子比锗离核近，受原子核束缚力较大，在同样温度下本征激发较小，温度稳定性较好。本征激发产生的载流子浓度随温度增加急剧增大。54.杂质半导体（1）P型半导体在本征半导体中掺入微量3价元素（如硼）形成。+4+3+4+4+4

空穴-----多数载流子(多子)自由电子---少数载流子(少子)本征激发产生电子-空穴对。一个三价杂质原子产生一个空穴-负离子对。杂质元素使共价键上缺少1个电子三价杂质称为受主杂质。杂质原子获得一个电子成为负离子。硅原子的共价键上缺少一个电子形成空穴。6（2）N型半导体在本征半导体中掺入少量的5价元素（如磷）形成。杂质原子多余的一个价电子容易挣脱原子核的束缚变成自由电子。一个5价杂质原子产生一个电子-正离子对。本征激发：自由电子-空穴对杂质原子失去一个电子成为正离子。5价杂质-----施主杂质自由电子-----多数载流子空穴-----少数载流子7结论◆掺杂会大大提高半导体中载流子浓度，使导电性能大增。◆掺入五价杂质产生N型半导体（电子型半导体）

多子—电子、少子—空穴。◆掺入三价杂质产生P型半导体（空穴型半导体）

多子—空穴、少子—电子。◆多子浓度近似等于杂质浓度，少子浓度与温度密切相关。8◆空间电荷产生内建电场

内建电场阻止多子的扩散运动。◆耗尽层

PN结内由于扩散与复合，使载流子几乎被耗尽，是高阻区。也称阻挡层。结区EPN◆内建电场有利于少子的漂移运动。载流子在电场作用下产生的定向运动称漂移运动。◆扩散与漂移达到动态平衡时，PN结形成。动态平衡时流过PN结的总电流为0。102.PN结的单向导电性

(1)外加正向电压内电场外电场正向偏置:

P区接电源＋端

N区接电源－端◆空间电荷减少，结区变窄在外电场的作用下P区空穴向结区运动，中和部分负离子。N区自由电子向结区运动，中和部分正离子。∴空间电荷减少，结区变窄。VF12VR(2)外加反向电压内电场外电场反向偏置:P区接电源－端，N区接电源＋端。◆结内电位差增加，势垒提高。◆空间电荷增加，结区变宽。

P区的空穴，N区的自由电子，均背离结区运动，使空间电荷增加，结区变宽。V0V0+VR14◆只有很微小的反向电流多子的扩散电流趋于0，由少子的漂移电流产生反向电流，少子浓度很小，所以反向电流很小。反向电流几乎与反向电压的大小无关，但随温度增加急剧增大。PN结反向截止时，其反向截止电阻很大。15结论◆加正向电压，很小的电压能产生较大电流，外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。◆加反向电压，只能产生微小的反向电流，且反向电流的大小几乎与反向电压无关。◆

PN结正向电阻小，反向电阻大，具有单向导电性。16(3)

PN结的V-I特性IS：反向饱和电流VT：温度的电压当量VT=kT/qK=1.38×10-23（J/K）q=1.6×10-19CT绝对温度当T=300K时，VT≈26mV。iD

ISvD17加正向电压

vD>0几乎与反向电压的大小无关加反向电压

vD<0182.2.3半导体二极管1.半导体二极管的结构半导体二极管是由PN结加电极引线封装而成的。结构有：点接触型：PN结面积小，极间电容小，高频特性好，但反向耐压较低，正向电流较小。用于高频检波、开关器件等。面接触型：PN结面积大，反向耐压较高，正向电流较大，用于整流。二极管的符号正极(P)负极(N)20死区2.二极管的V-I特性（1）正向特性存在门坎电压Vth

（死区电压）

硅0.5V锗0.1V

正向导通电压很小，硅0.6～0.8V（估算值0.7V）

锗0.2～0.3V（估算值0.2V）实际二极管的V-I特性与PN结特性基本相同。iD

ISvDVth理想PN结的特性：正向导通区213.二极管的参数(1)最大整流电流IF

管子长期运行允许通过的最大正向平均电流。(2)反向击穿电压VBR

反向电流急剧增加时所加的反向电压。（参数表中一般规定反向电流所达到的值）最高反向工作电压一般取击穿电压的一半。(3)反向电流IR

管子未发生电击穿时的反向电流。（参数表中一般规定所应加的反向电压）234.二极管基本电路及其分析方法二极管是一种非线性器件，分析含二极管的电路一般采用图解法和模型分析法。(1)

二极管正向v—i的建模a.理想模型

iD＞0→vD=0iDvDiDvDiD

vD

iD

vD

用于电源电压>>管压降的情况，如开关电路。vD＜0→iD=024c.小信号模型输入变化的信号，且信号幅度很小，二极管工作在静态工作点Q附近的小范围内。用过Q点的切线近似表示V-I曲线上的一小段曲线。切线斜率的倒数称微变电阻rd（动态电阻）小信号模型只用于动态分析，方程中求解的变量是信号量。（电压和电流瞬时值的变化量）Drd△vD△iD26rd的计算rd与静态工作电流有关。27(2)二极管模型分析法a.静态分析①图解法

VDD

VDIDRID=f（VD）VD=VDD-IDRVQIQ28b.限幅电路Vo

R1K

VR3VVi设二极管为理想二极管，(1)设Vi=0V、4V，求Vo先求理想二极管两端的开路电压VDO：VDO=Vi-3VDO>0即Vi>3V二极管导通VDO<0即Vi<3V二极管截止Vi=4V，二极管导通Vo=VR=3VVi=0V，二极管截止Vo=Vi=0V30(2)设vi=6sinωt

画出vo的波形及传输特性Vo

R1K

VR3VViVi>3V二极管导通Vo=VR=3Vvivo3V3V3V6Vvit3VvotVi<3V二极管截止Vo=Vi31c.开关电路在开关电路中，二极管一般采用理想模型。关键是：判别二极管是导通，还是截止方法是：将理想二极管开路，计算两端的开路电压，开路电压大于0，理想二极管导通，将其看作短路。开路电压小于0，理想二极管截止，将其看作开路。32例1：判断下图中二极管是导通还是截止，

并求输出端电压Vo（设二极管是理想的）15VD1D212V1KVoD1导通，D2截止VDO115V12V1KVoVDO2Vo=0VVDO215V12V1KVoVDO1=12VVDO2=－3V33如果多个二极管的开路电压都大于0，则先令正向电压较大的二极管先导通,再重新计算其他二极管的开路电压，重新考虑其工作状态。34例2：此时：VDO1=－6V∴D1

截止。Vo=－6V6VD1D212V1KVoVDO16V12V1KVoVDO26V12V1KVoVDO1VDO1=12VVDO2=18VD2优先导通35例3:VCC5VVi1R4.7KΩD1D2Vi2VoVCC5VVi1R4.7KΩD1D2Vi2VoVCC5VVi1R4.7KΩD1D2Vi2Vo5VD1导通D2导通Vo=0VD1导通，D2截止Vo=0VVCC5VVi1R4.7KΩD1D2Vi2Vo5VD1截止，D2截止Vo=5V与门电路Vi1=0Vi2=0Vi1=0，Vi2=5VVi1=5V，Vi2=5V36图2.2.1二极管开关电路假定VIH=VCC，VIL=0，D为理想开关元件；vI=VIH时，D截止，vO=VOH=VCCvI=VIL时，D导通，vO=VOL=0反向截止：正向导通：开关接通开关断开由于半导体二极管具有单向导电性,

相当于一个受外加电压极性控制的开关。37图2.2.3二极管伏安特性的几种近似方法正向导通压降和正向电阻不能忽略仅忽略正向电阻正向导通压降和正向电阻都忽略√38图2.2.4二极管的动态电流波形半导体二极管的动态工作情况:(1)二极管外加电压由反向变正向时，正向导通电流的建立稍微滞后一点；(2)二极管外加电压由正向变反向时，产生较大的瞬态反向电流，并持续一定的时间；反向恢复时间tre：反向电流从峰值衰减到峰值的十分之一所经过的时间二极管产生反向恢复过程的原因是：电荷存储效应。tre在纳秒数量级39*2.2.4

特殊二极管1.稳压管（1）原理利用二极管反向击穿特性实现稳压。反向击穿后，电流急剧增加，但电压基本不变。理想稳压管的特性vDiD－vDiD－VZVF40（2）稳压管参数◆稳定电压VZ：反向电击穿时的工作电压。◆稳定电流IZ：

测量稳定电压，动态电阻时的参考电流值。

iZ>IZ，稳压性能较好，rZ较小。◆最大稳定电流IZM：允许的最大电流。

IZ<iZ<IZM◆额定功耗PM：允许的最大功耗。一般PM=IZMVZ。◆动态电阻rZ：反向击穿区斜率的倒数。

rZ=dvZ/diZ。◆温度系数：温度变化1℃，稳定电压变化的百分数。412.2.5半导体三极管—双极型三极管1.基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型42BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高43BECNNP基极发射极集电极发射结集电结442.电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE

，多数扩散到集电结。45BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。46IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE47ICE与IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。48BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管493.

输入输出特性曲线实验电路:ICmAAVVUCEUBERBIBECEB输入回路输出回路50(1)BJT的输入特性曲线①vCE=0,输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似。②0<vCE<1V,vCE增大时，输入特性曲线略向右移动。∵集电结由正偏逐渐变成反偏，吸引电子的能力增强，从发射区注入到基区的电子更多的被集电结收集，vBE一定时，流向基极的电流减少。③vCE>1V,输入特性基本不变。∵集电极已反偏，已具有足够收集电子的能力。vBEvCEiCiB51vBC=0(2)

输出特性

放大区饱和区截止区（A）放大区处于放大区的条件发射结正偏，集电结反偏。NPN：vBE>0vBC≤0

（硅管vBE≈0.7V）,特点：①iC=ßiB+ICEO≒ßiB

在放大区内，iC受iB控制。②iB不变，iC受vCE的影响很小，呈现很好的恒流特性。③因为基区宽度调制效应，iC随vCE增加有微小增加。vBEvCEiCiB击穿区52（B）截止区发射结反偏，集电结反偏。NPN：vBE

＜0,vBC<0

（vBE<Vth

）特点：iB≤0,iC≤ICEO

iE≈iC≈iB≈0（C）饱和区发射结正偏，集电结正偏。NPN：vBE>0vBC>0

（硅管vBE≈0.7V）特点：iC随vCE的增加而迅速增加。iC＜ßiB

，

iC不受iB控制。vCE很小，称饱和压降VCES硅管：VCES≈

0.3v锗管：VCES≈

0.1v(D)击穿区vCE

足够大时，集电结发生反向击穿，iC迅速增大。53NPNPNP三极管的比较NPN

PNP特点放大区VC>VB>VEVBE为结电压VC<VB<VEVBE为结电压发射结正偏，集电结反偏iC=iE=iB截止区VB<VCVB<VEVB>VCVB>VE发射结反偏集电结反偏iC≈

iE≈

iB≈

0饱和区VB>VEVB>VCVBE为结电压VCE为饱和压降VB<VEVB<VCVBE为结电压VCE为饱和压降发射结正偏集电结正偏iC<iB饱和压降硅管：|VCES|≈0.3V锗管：|VCES|≈0.1V导通时结电压硅管：|VBE|≈0.7V锗管：|VBE|≈0.2V546v4.BJT的主要参数(1)

电流放大系数

Q55①集电极-基极反向饱和电流ICBO小功率锗管，ICBO

约10μA，硅管ICBO小于1μA。(2)极间反向电流②集电极-发射极的反向饱和电流ICEO

也称穿透电流。

ICEO=(1+ß)ICBO

锗管：十～几百微安硅管：几微安vCCICBOvCCICEO极间反向电流大小取决于少数载流子的浓度,与温度密切相关。56(3)极限参数①集电极最大允许电流ICM

一般指ß

下降到最大值的0.5时的电流值。IC超过ICM时，ß值大大下降。②集电极最大允许功耗PCM

集电极功率损耗PC=IC×VCE

当PC＞PCM

时，集电极过热会烧毁。③反向击穿电压晶体管的两个PN结，在反向电压超过规定值时，会发生电击穿现象。57V(BR)EBO<

V(BR)CEO<

V(BR)CER<V(BR)CBOvCCV(BR)EBOV(BR)CBOV(BR)CEOV(BR)CER集电极开路，发射极-基极允许的最大反压发射极开路，集电极-基极允许的最大反压基极开路，集电极-发射极间的最大反压B-E间接电阻，集电极-发射极间的最大反压58晶体管的安全工作范围安全工作区过损区过流区过压区ICMV(BR)CEOPCM59图2.2.7双极型三极管的基本开关电路截止时，vo≈VCC;饱和导通时，vo≈0V;5.双极型三极管的基本开关电路60(1)输入电压vI=0时,vBE=0,iB=0,三极管处于截止状态；iC=0，vO=VCC(2)输入电压vI>VON时,有iB产生,三极管开始进入放大区，则有：61图2.2.8用图解法分析图2.2.7电路

(a)电路图(b)作图方法62(3)输入电压vI继续升高,RC上的压降随之增加,当RC上的压降接近VCC，三极管处于深度饱和，开关电路处于导通状态，vO=VOL=0.iBS称为饱和基极电流。三极管工作于饱和状态的条件：iB≥

iBS63图2.2.9双极型三极管的开关等效电路

(a)截止状态

(b)饱和导通状态64工作状态截止放大饱和条件iB≈00<iB<ICS/

iB>ICS/工作特点偏置情况发射结和集电结均为反偏发射结正偏集电结反偏发射结和集电结均为正偏集电极电流iC≈0iC≈iBiC=ICS管压降VCEO≈VCCVCE=VCC-iCRC

VCES≈0.2~0.3vc、e间等效内阻相当于开关断开（很大）可变相当于开关闭合（很小）NPN型BJT工作状态和特点656、双极型三极管的动态开关特性图2.2.10双极型三极管的动态开关特性三极管截止饱和导通662.2.6MOS场效应管BJT的缺点：输入电阻较低,温度特性差。场效应管(FET)：用电场效应控制其电流的半导体器件。优点：输入电阻非常高(高达107~1015欧姆)，噪声低，热稳定性好，

抗辐射能力强，工艺简单，便于集成。按结构分为：结型场效应管(JFET);

绝缘栅型场效应管(MOSFET)按沟道性质分为：N沟道;P沟道按偏压为零时沟道能否导电分为：耗尽型，增强型场效应管工作时，只有一种极性的载流子参与导电，所以场效应管又称为单极型晶体管。67sgd衬底b

PN+N+铝SiO2金属-氧化物-半导体场效应管

1.N沟道增强型MOSFETN沟道增强型MOS管示意图N沟道增强型MOS管符号MOS场效应管的类型：增强型：包括N沟道和P沟道耗尽型：包括N沟道和P沟道dsgbP沟道增强型MOS管符号dsgb金属栅极、SiO2绝缘层、半导体，构成平板电容器。MOSFET利用栅源电压的大小，来改变衬底b表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。68（1）

沟道形成原理①vDS=0时，vGS

的作用在SiO2绝缘层中产生垂直向下的电场，该电场排斥P区中的多子(空穴)，而将少子(电子)吸向衬底表面。vGS不够大时，吸向衬底表面的电子将与空穴复合而消失，衬底表面留下了负离子的空间电荷区—耗尽层，并与两个PN结的耗尽层相连，此时源区和漏区隔断。无导电沟道iD=0vGS=0时，iD=00<vGS<VT时dsgb

PN+N+耗尽层

g

PdsN+N+b69vGS加大，将吸引更多的电子到衬底表面，形成自由电子的薄层——反型层。(表层的导电类型由原来P型转化为N型)N型导电沟道形成。vDS=0时反型层均匀vGS>VT刚形成反型层所需的vGS的值——开启电压VT

。vGS<VT，沟道未形成，iD=0(截止区）。vGS>VT，沟道形成，

vDS>0时，将形成电流iD。vGS↑，沟道加宽，沟道电阻↓，

iD↑。

g

PdsN+N+N沟道当外加正vDS时，源区的多子(电子)将沿反型层漂移到漏区形成漏极电流iD。70②vGS>VT且不变,vDS对沟道的影响导电沟道形成后，在vDS的作用下，形成漏极电流iD

，沿沟道d→s，电位逐渐下降,sio2中电场沿沟道d→s逐渐加大，导电沟道的宽度也沿沟道逐渐加大，靠近漏极端最窄。vGS>VT,且vGD>VT(或vDS<vGS-VT

)

(∵vDS=vDG+vGS=vGS-vGD<vGS-VT)

沟道畅通，场效应管等效为压控电阻(可变电阻区)。

PN+N+gdsvDS使沟道不再均匀71vDS再↑，使

vGD<VT

(vDS>vGS-VT)

夹断点向左移动，沟道中形成高阻区，电压的增加全部降在高阻区，iD基本不变，场效应管等效为压控电