常用半导体器件剖析

会计学1常用半导体器件剖析第一节PN结及其单向导电性

半导体的导电特点

PN结返回第1页/共51页一、半导体的导电特点1.半导体材料

物质分为导体、半导体、绝缘体。半导体是4价元素。半导体材料的特点：半导体的导电能力受光和热影响。

T↑

导电能力↑光照↑导电能力↑纯净的半导体掺入杂质导电性会大大增强。返回第2页/共51页+4

纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。本征半导体中的载流子自由电子(－)

空穴（+）2.本征半导体空穴与电子成对出现并可以复合。*空穴的移动返回第3页/共51页3.杂质半导体N型半导体掺5价元素，如磷，自由电子数多于空穴数，自由电子数是多子。

P型半导体掺3价元素，如硼，空穴数多于自由电子数，空穴是多子。返回第4页/共51页N型半导体磷原子硅原子+N型硅表示+4+5+4+4硅或锗+少量磷N型半导体多余电子返回第5页/共51页P型半导体硼原子P型硅表示+4+4+4+3硅原子硅或锗+少量硼P型半导体多余空穴返回第6页/共51页返回4．扩散运动与漂移运动载流子由于浓度差异而形成运动叫扩散运动。在电场作用下，载流子的定向运动叫漂移运动。

第7页/共51页1.PN结的形成二、

PN结扩散运动空间电荷区削弱内电场漂移运动内电场动态平衡－－－－－－－－－－－－－－－－P内电场电荷区空间扩散运动漂移运动N返回第8页/共51页

外电场方向与内电场方向相反

空间电荷区(耗尽层)变薄

扩散＞漂移导通电流很大,呈低阻态。2.PN结的单向导电性－－－－－－－－－－－－－－－－PN内电场外电场

加正向电压（正偏）P（+）N（－）返回少子形成的电流，可忽略。第9页/共51页外电场与内电场相同耗尽层加厚

漂移＞扩散少子形成反向电流IR，很小，呈高阻态。N－－－－－－－－－－－－－－－－P

内电场

外电场

加反向电压（反偏）P（－）N（+）PN结正偏，导通；PN结反偏，截止返回第10页/共51页第二节半导体二极管

半导体二极管的伏安特性半导体二极管的主要参数返回第11页/共51页一、半导体二极管的伏安特性+P区－阳极N区－阴极阳极阴极1.正向特性死区电压硅管0.5V

锗管0.1V

正向导通电压硅管0.7V

锗管0.3VI/mAU/V反向击穿电压死区GeSi2.

反向特性反向饱和电流很小，可视为开路；反向电压过高，电流急增，二极管发生击穿。导通电压VD返回O第12页/共51页二、半导体二极管的主要参数1.最大整流电流IF

二极管允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压URM

保证二极管不被击穿允许加的最大反向电压。3.最大反向饱和电流IR

室温下，二极管加最高反向电压时的反向电流，与温度有关。返回第13页/共51页例1、如图，当E＝5V时，I＝5mA，则E=10V，I＝（）

A.I＝10mAB.I>10mAC.I＜10mAD.不确定EVDIB返回第14页/共51页O

例2、如图，E＝5V，二极管正向压降忽略不计，画出

uo波形。EVDuiuo10ui/Vωtui<EVD截止

uo=Eui>EVD导通

uo=ui5uoωt5

利用二极管的单向导电性可对输出信号起限幅作用。返回O第15页/共51页

例3、如图，E＝6V，二极管正向压降忽略不计，画出uo波形。EVD1uiuo10ui/Vωt6EVD2R－6ui>E，VD1导通，VD2截止

uo=E=6V－E<ui<E

，VD1、VD2截止，

uo=uiuoωt解：ui<－E，

VD2导通，VD1截止

uo=－E=－6V6返回OO第16页/共51页例4、二极管组成电路如图，设二极管导通电压为0.3V，试求输出电压UF。+3VUF－12VR0VVD1VD23V

>0>－12VVD1率先导通，

UF＝3V－0.3V＝2.7VVD2截止解：返回第17页/共51页第三节特殊二极管

稳压管光敏二极管发光二极管返回第18页/共51页

稳压管是一种特殊的二极管，具有稳定电压的作用。

稳压管工作于反向击穿区。特点：电流变化大，电压变化小。1.稳压原理稳压管：1）加正向电压时等同于二极管。

2）加反向电压时使其击穿后稳压。I/mAU/V反向击穿电压VS返回一、稳压管O第19页/共51页1)稳定电压UZ

正常工作下，稳压管两端电压。同一型号的稳压管分散性较大。

2)稳定电流IZ

正常工作下的参考电流。大小由限流电阻决定。

3)动态电阻rZ

rZ=△U/△I

rZ越小，稳压效果越好。2.稳压管参数返回第20页/共51页4)温度系数αu

温度改变1℃，稳压值改变的百分比。其值可正，可负。5)最大允许耗散功率PZM

管子不至于产生热损坏时的最大功率损耗值叫做最大耗散功率。稳压管工作时，功耗超过PZM

，管子将会因热击穿而损坏。返回第21页/共51页返回例1、如图，已知UZ=10V，负载电压UL（）（Ａ）5Ｖ（Ｂ）10Ｖ（Ｃ）15Ｖ（Ｄ）20ＶAVS20V15kΩ5kΩUL

稳压管的工作条件（１）必须工作在反向击穿状态。（２）电路中应有限流电阻，以保证反向电流不超过允许范围。第22页/共51页例2、已知ui=6sinωt，UZ=3V，画输出波形。VSuiuo6ui/Vωt3uoωt3返回OO第23页/共51页例3、图示电路中，稳压管VS1、VS2的稳压值分别为UZ1＝5V，UZ2＝7V，正向压降为0.7Ｖ，若输入电压Ui波形如图所示，试画出输出电压波形。RRVS1VS2UiUoUit6V12V－2VUi经电阻分压UR＝Ui/2

当UR<5V，VS1、VS2截止，Uo=UR7V>UR>5V，VS1反向导通，VS2截止，Uo=UZ1

UR<－0.7V，VS1、VS2正向导通，Uo=－0.7VUot3V5V－0.7V解：返回第24页/共51页返回二、光敏二极管

光敏二极管(或称光电二极管)是一种将光能转换成电流的器件。

光敏二极管的PN结接受光线照射时，会像热激发一样，可以成对地产生大量的电子和空穴，使半导体中少子的浓度提高。这些载流子在反向偏置下可以产生漂移电流，使反向电流显著增加。

反向电流的大小与光照强度成正比。第25页/共51页VL返回三、发光二极管

发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，简称为LED。

当LED正向导通时，由于电子与空穴的复合而以光的形式放出能量。

发光二极管的发光颜色取决于使用的材料。

发光二极管只能工作在正向偏置状态，工作时电路中必须串接限流电阻。第26页/共51页第四节晶体管

晶体管的基本结构和类型晶体管的电流分配和放大原理晶体管的特性曲线晶体管的主要参数温度对晶体管特性和参数的影响返回第27页/共51页一、晶体管的基本结构和类型基区集电区发射区基极集电极发射极集电结发射结NPN型VT返回第28页/共51页PNP型特点：发射区参杂浓度很大，基区薄且浓度低，集电结体积大。VT返回第29页/共51页二、晶体管的电流分配和放大原理１．放大条件（１）内部特点决定 发射区产生大量载流子;

基区传送载流子;

集电区收集载流子。（２）外部条件 发射结正偏，集电结反偏。返回第30页/共51页IEICIBRBRCEBECNNP发射区电子发射结正偏利于发射区发射电子基区集电结反偏利于集电区收集电子

集电区2.电流分配返回少子的移动第31页/共51页IBRBEBICRCECIE基极电流很小的变化，将引起集电极电流一个很大的变化。直流放大系数交流放大系数返回第32页/共51页1.输入特性曲线

三、晶体管特性曲线IB＝f(UBE)︳UCE=常数

IB/μAUBE/VUCE=0UCE≥1

发射结、集电结正偏，两个二极管正向并联。

集电结反偏，IB减小UCE>1IB变化很小，与UCE=1曲线重合。返回O第33页/共51页2．输出特性曲线饱和区截止区放大区

截止区IB≈0，IC≈0，UBE≤0发射结反偏，集电结反偏。

放大区

IC＝βIB

发射结正偏，集电结反偏。

饱和区

UCE≤UBE

，发射结、集电结正偏。IC/mAUCE/VIB＝0IB＝20μAIB＝40μAIB＝60μAIB＝80μA返回O第34页/共51页2．极间反向电流

ICBO：发射极开路，基极与集电极间的反向饱和电流，受温度影响大。

ICEO：基极开路，集电极与发射极间的穿透电流。四、晶体管主要参数1．

放大倍数返回第35页/共51页

集电极最大电流ICM

IC<ICM

集电极—发射极反向击穿电压UCEO

基极开路，加在集电极和发射极间的最大允许工作电压。

UCE<UCEO

集电极最大允许功耗PCM

ICUCE<PCM3．极限参数返回第36页/共51页五、温度对晶体管的影响温度对ICEO、ICBO的影响

ICEO、ICBO随温度上升急剧增加，温度每升高10℃，ICBO约增加一倍。温度对锗管的影响比较大。温度对β

的影响温度增加，β

随之增加。3.温度对UBE

的影响温度增加，UBE

随之减少。返回第37页/共51页例1：由晶体管各管脚电位判定晶体管属性（1）

A:1VB：0.3VC:3V（2）A:－0.2VB:0VC:－3V如何区分硅管和锗管如何区分NPN、PNP管如何区分三个极A.︱UBE︳≈0.2V(锗管）

︱UBE︳≈0.7V(硅管）B.步骤：1.区分硅管、锗管，并确定C极（以相近两个电极的电压差为依据，

UBE硅＝0.7V／UBE锗＝0.2V～0.3V）

2.区分NPN、PNP管（NPN：VC最高

，PNP：VC最低

）

3.区分三极（NPN：VC>VB>VE

PNP：VC<UB<VE）解：（1）硅管、NPN管A：基极；B:发射极；C:集电极（2）锗管、PNP管A:基极；B:发射极；C:集电极返回第38页/共51页例2：有三只晶体管，分别为锗管β＝150，ICBO＝2μA；硅管β＝100，ICBO＝1μA；硅管β＝40，ICEO＝41μA；试从β和温度稳定性选择一只最佳的管子。解：

β

值大，但ICBO也大，温度稳定性较差；β值较大，ICBO＝1μA，ICEO＝101μA；β

值较小，ICEO＝41μA，ICBO＝1μA。、ICBO相等，但的β

较大，故较好。返回第39页/共51页第五节场效应晶体管N沟道增强型MOS管

N沟道耗尽型MOS管

MOS管的主要参数及使用注意事项返回第40页/共51页返回场效应晶体管是用输入回路的电场效应来控制半导体中的多数载流子，使流过半导体内的电流大小随电场强弱而变化，形成电压控制其导电的一种半导体器件。与晶体管相比场效应晶体管更易于集成。场效应晶体管有两种:N沟道P沟道耗尽型增强型结型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管第41页/共51页返回PN＋N＋GSDN区SiO2绝缘层源极栅极漏极金属铝P型衬底GSDBB一、N沟道增强型MOS管第42页/共51页返回IDmAUDSUGSGSDRD

特性曲线UGS＝0，ID＝0UGS>开启电压形成导电沟道ID随UGS的增加而增大漏极特性曲线可变电阻区夹断区恒流区ID/mAUDS/VUGS＝2VUGS＝5VUGS＝6V场效应管是一种电压控制电流的器件OV第43页/共51页返回转移特性曲线IDUGSUGS（th）开启电压

固定一个UDS，ID和UGS的关系曲线，称为转移特性曲线。IDO是UGS(th)/2时的ID值

在一定的漏－源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。O第44页/共51页返回二、N沟道耗尽型MOS管PN+N+GSDGSDBB＋＋＋＋N型沟道

耗尽型管子的栅源电压，在一定范围内正、负值均可控制漏极电流的大小。耗尽型场效应管在制造时导电沟道就已形成第45页/共51页返回

特性曲线ID(mA)UDS(V)UGS＝－0.8VUGS＝0VUGS＝0.2VOUGS（off）IDUGS夹断电压漏极特性曲线