第一章 常用半导体器件

电子技术讲授内容第一章常用半导体器件第二章基本放大电路第三章集成运算放大器第六章门电路与组合逻辑电路

时间:第九、十、十一、十二、

十三周，共五周的时间。第十三周一次课，总复习。

实验内容实验4常用电子仪器的使用实验5射极跟随器实验6组合逻辑电路的设计1半导体的导电特性第一章常用半导体器件半导体二极管2晶体管4特殊二极管3场效应晶体管5第一章常用半导体器件1.理解PN结的单向导电性。2.了解半导体二极管的基本类型、主要参数，掌握其伏安特性。3.了解稳压管的主要特性及其稳压作用。4.理解双极型晶体管的基本类型、特性曲线和主要参数，理解晶体管的三种工作状态。基本要求：1.1半导体的导电特性1.物质的导电性自然界中的物质按照导电能力可分为导体、绝缘体与半导体。导体：导电能力良好的物体，如银、铜、铁等。绝缘体：不能导电或导电能力很差的物体，如橡胶、陶瓷、玻璃、塑料等。半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。半导体的导电特性(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强1.1半导体的导电特性典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。1.1半导体的导电特性2.本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。

Si

Si

Si

Si晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价键中的两个电子，称为价电子。1.1半导体的导电特性本征半导体的导电机理

Si

Si

Si

Si价电子空穴自由电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征激发：温度愈高，晶体中产生的自由电子、空穴愈多。1.1半导体的导电特性(5)当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移运动），在半导体中将出现两部分电流

①自由电子作定向运动电子电流

②价电子递补空穴空穴电流结论：(1)半导体有两种载流子:（负）电子、（正）空穴。(2)自由电子和空穴成对地产生，同时又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。(3)

载流子的数量少，故导电性能很差。(4)载流子的数量受温度影响较大，温度高数量就多。所以，温度对半导体器件性能影响很大。1.1半导体的导电特性3.N型半导体和P型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。1.1半导体的导电特性

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。1.1半导体的导电特性小结:(1)N型半导体（电子型半导体）形成：向本征半导体中掺入少量的5价元素特点：（a）含有大量的电子——多数载流子

（b）含有少量的空穴——少数载流子(2)P型半导体（空穴型半导体）形成：向本征半导体中掺入少量的3价元素特点：（a）含有大量的空穴——多数载流子

（b）含有少量的电子——少数载流子1.1半导体的导电特性1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba思考题：1.1半导体的导电特性4.

PN结的形成及其单向导电性多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区1.1半导体的导电特性PN结的单向导电性（1）PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–1.1半导体的导电特性（2）PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+1.1半导体的导电特性PN结变宽（2）PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正

温度越高少子的数目越多，反向电流随温度升高而增加。–+

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－1.1半导体的导电特性1.2半导体二极管1.基本结构PN阳极阴极两层半导体一个PN结按结面积分点接触型面接触型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型(1)点接触型(2)面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。按材料分硅管锗管按用途分普通管整流管……1.2半导体二极管2.伏安特性硅管0.5V,锗管0.2V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.7V锗管约0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。2.伏安特性二极管电流与电压之间的关系UIOAABB硅锗半导体二极管的伏安特性正向：死区（OA段）:硅管约0.5V，锗管约0.2V；正向导通区:硅管约0.7V，锗管约0.3V反向：截止区（OB段）:I近似为0；击穿区:管子被击穿1.2半导体二极管2.伏安特性二极管电流与电压之间的关系UIOAABB硅锗半导体二极管的伏安特性UIOUDUIO(a)近似特性(b)理想特性1.2半导体二极管3.主要参数（1）IOM：最大整流电流（2）URM：最高反向工作电压（3）IRM：最大反向电流二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流越小，说明管子的单向导电性越好。1.2半导体二极管伏安特性反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性UIPN+–PN–+加最高反向工作电压时的反向电流小结：二极管的单向导电性（1）二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。（2）二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。（3）外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。（4）二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。1.2半导体二极管二极管电路分析：先判断二极管的工作状态导通截止分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压U的正负。若V阳>V阴或

U

为正，二极管导通若V阳<V阴或

U

为负，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时管压降为零，反向截止时相当于开路。否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗约0.3V1.2半导体二极管例1：分析输出电压和二极管上电压的波形。假设二极管为理想二极管。习题P18：1-4–++–aTrDuou2bRLio+–u1uDOuoOu2tOu2

正半周，Va>Vb，D导通，uo=u2；u2

负半周，Va<Vb，D截止，uo=0。1.2半导体二极管作业:1-4，1-5

回顾:

二极管电路分析：先判断二极管的工作状态导通截止分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压U的正负。若V阳>V阴或

U

为正，二极管导通若V阳<V阴或

U

为负，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时管压降为零，反向截止时相当于开路。否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗约0.3V1.2半导体二极管练习：电路如图，求UAB=？D6V12V3kBAUAB+–V阳=－6VV阴

=－12VV阳>V阴

二极管导通（1）若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V（2）考虑管压降，UAB低于－6V一个管压降，为

－6.3Ｖ

或－6.7V

（正向导通压降:硅管约0.7V，锗管约0.3V）解：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。1.2半导体二极管半导体二极管图片1.2半导体二极管1.2半导体二极管1.2半导体二极管1.3特殊二极管符号_+1.3.1硅稳压二极管稳压管正常工作时加反向电压

利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向击穿状态。1.伏安特性：符号_+UZIZIZMUZIZUIO稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。使用时要加限流电阻1.3特殊二极管2.主要参数（1）稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。（2）动态电阻rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。（3）稳定电流IZ是指某种稳压管进入反向击穿工作区所必需的参考电流，通常该电流为5mA，稳压管的实际电流大于稳定电流时，稳压性能较好。1.3特殊二极管3.稳压管稳压电路分析方法（1）稳电管正向偏置时，相当于一个普通二极管正向偏置的情况。

（2）稳压管反向偏置时①当外加反向电压小于稳压管的稳定电压时，稳压管截止，可视为开路。②当外加反向电压大于或等于稳压管的稳定电压，并且流过稳压管的电流满足一定要求时，稳压管稳压。1.3特殊二极管

例：稳压二极管的稳定电压UZ=5V，正向压降忽略不计。当输入电压Ui分别为直流10V、3V、-5V时，求（1）输出电压UO；（2）若ui=10sinωtV，试画出uo的波形。DZRuoui++––Ui=10V：DZ工作在反向击穿区，稳压，UO=UZ=5VUi=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi=-5V：DZ工作在正向导通状态，UO=0V1.3特殊二极管ui正半周，当ui>UZ，DZ反向击穿，uO=5V当ui<UZ，DZ反向截止，uO=uiui负半周，DZ正向导通，uO=0Vui10V5V

（2）若ui=10sinωtV，uo的波形如下:DZRuoui++––1.3特殊二极管符号光电传输系统

LED工作原理：发光二极管也具有单向导电性。当外加反向电压，二极管截止不发光,当外加正向电压，二极管导通，因流过正向电流而发光。1.3特殊二极管

1.3.2发光二极管（LED)1.4晶体管1.4.1基本结构基极发射极集电极NPN型BECPNP型PPN基极发射极集电极NNP符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管结构特点：基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结：面积大BECNNP基极发射极集电极集电区：尺寸最大1.4晶体管1.4.2电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

1.4晶体管发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++IE2.各电极电流关系及电流放大作用1.4晶体管IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。3.三极管内部载流子的运动规律（补充）1.4晶体管BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO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。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。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。1.4晶体管3.三极管内部载流子的运动规律ICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBO可见，集电极电流IC是由ICBO与ICE两部分组成的，

IB是由ICBO和IBE两部分组成的，晶体管的放大是因ICE远大于IBE，其比值为(常用公式)1.4晶体管1.4.3特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线?1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线1.4晶体管发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++

1.4晶体管1.输入特性曲线IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.2V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7V1.4晶体管结论:（1）输入特性是发射结的正向特性，它是一条非线性曲线。（2）只有当加在发射结的电压大于死区电压时，晶体管才会出现基极电流。（3）正常工作时，NPN型硅管的发射结电压UBE=0.6～0.7V。1.4晶体管2.

输出特性曲线IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。1.4晶体管IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB=0以下的区域称为截止区，有IC0

。

对于NPN型硅管，当UBE<0.5V时，已处于截止状态。当UBE<0V时，晶体管可靠截止，此时发射结处于反向偏置。

在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。饱和区截止区（3）饱和区1.4晶体管IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区（3）饱和区

靠近纵轴的区域成为饱和区，晶体管在饱和区工作时的状态称为饱和状态。

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，

硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。1.4晶体管1.4.4主要参数（6个）①电流放大系数有，直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。常用晶体管的

值在20~200之间。1.4晶体管例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A，IC=1.5mA；

在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得1.4晶体管集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOA+–EC集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。1.4晶体管集电极最大允许电流ICM集-射极反向击穿电压U(BR)CEO集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。当集—射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。PC

PCM

硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。1.4晶体管ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区ICUCEO1.4晶体管晶体管参数与温度的关系（1）温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。（2）温度每升高1C，UBE将减小(2~2.5)mV，即晶体管具有负温度系数。（3）温度每升高1C，增加0.5%~1.0%。（记至教材P30）

1.4晶体管作业:1-6，1-7，1-91.5场效应晶体管双极型晶体管:参与导电的有两种类型的载流子。单极型晶体管:仅有一种类型的载流子参与导电。常用于数字集成电路中(第六章)又因为这种晶体管是利用电场效应来控制电流大小的，所以又称为场效应管。N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管按其结构可分为两种类型：1.5场效应晶体管金属-氧化物-半导体场效应管

MOSFET(Metal-Oxide-semiconductortypeFieldEffectTransistor)特点：输入电阻很高，最高可达到1015欧姆。表面场效应器件耗尽型是当uGS=0时，存在导电沟道，iD≠0.增强型是当uGS=0时，不存在导电沟道，iD=0。1.5场效应晶体管1.5.1N沟道增强型MOS场效应管5.1.1结构N沟道增强型MOS场效应管结构如图，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出源极与漏极，源极与漏极之间的二氧化硅上面引出栅极。衬底也接出一根引线，通常情况下将它和源极在管子内部连接在一起。由图可见，栅极和其他电极及硅片之间是绝缘的，所以称为绝缘栅场效应管。1.5场效应晶体管1.5.1

N沟道增强型MOS场效应管1.

结构漏极D→集电极C源极S→发射极E栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管2.

工作原理1.5场效应晶体管UGS<UT时（开启电压)UGS＞UT时(形成反型层)当UGS=0V时，漏源之间相当于两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。0＜UGS＜UT时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表面上感应出现许多电子，但电子数量有限,不能形成沟道。当UGS＞UT时，P型半导体表层中将聚集较多的电子，可以形成导电通道，称为沟道，将漏极和源极连通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。当漏、源电压一定时，使管子由不导通变为导通的临界栅-源电压称为开启电压，用UGS(th)表示，简记为UT。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的多数载流子空穴极性相反，故称为反型层。1.5场效应晶体管

当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成电流ID。增强型MOS管UDSID++--++--++++----UGS反型层当UGS=0V时，漏源之间于相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加任何电压，不会在D、S间形成电流ID，即ID≈0。当UGS>UT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加。开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管1.5场效应晶体管3.特性曲线(１)转移特性曲线：输入电压与输出电流间的关系曲线，对于共源电路，即：0iDuGSUGS(th)