第1章-半导体器件及其特性课件

第1章数字逻辑基础

1.1普通二极管

1.1.1PN结

⒈半导体的导电特性⑴掺杂特性。⑵热敏和光敏特性。第1章数字逻辑基础1.1普通二极管1.1.1P1⒉数字信号⑴N型半导体⑵P型半导体4价元素掺入微量5价元素后形成。多数载流子：电子；少数载流子：空穴。4价元素掺入微量3价元素后形成。多数载流子：空穴；少数载流子：电子。⒉数字信号⑴N型半导体⑵P型半导体4价元2图1-1本征半导体与掺杂半导体结构示意图

a)本征半导体b)N型半导体c)P型半导体图1-1本征半导体与掺杂半导体结构示意图3⒊数字电路的特点图1-2PN结的形成

a)载流子的扩散运动b)平衡状态下的PN结⒊数字电路的特点图1-2PN结的形成4⑴形成过程和原理：①扩散。②形成空间电荷区和内电场。③内电场阻止扩散运动，促进漂移运动。⑵PN结内电场电位差：硅材料约0.5~0.7V，锗材料约0.2~0.3V。⑴形成过程和原理：①扩散。②形成空间电荷区和内电场。5⒋PN结单向导电性⑴加正向电压——导通。⑵加反向电压——截止。

图1-3外加电压时的PN结a)正偏b)反偏⒋PN结单向导电性⑴加正向电压——导通。⑵加反向电压—61.1.2二极管⑴正向特性⒈二极管的伏安特性①死区段。②导通段。⑵反向特性①饱和段。②击穿段。图1-5PN结伏安特性1.1.2二极管⑴正向特性⒈二极管的伏安特性①死区7⑶数学表达式：IS：PN结反向饱和电流；UT为温度电压当量：UT≈26mV（T=300K）。⑶数学表达式：IS：PN结反向饱和电流；UT为温度电压当8⒉硅二极管与锗二极管伏安特性的区别①硅管的死区电压比锗管大，硅管导通正向压降比锗大。②硅管的反向饱和电流IS比锗管小得多。图1-6硅二极管与锗二极管伏安特性⒉硅二极管与锗二极管伏安特性的区别①硅管的死区电压比锗管9⒊温度对二极管伏安特性的影响①温度升高后，二极管死区电压Uth和导通正向压降Uon下降（正向特性左移）。温度每升高1℃，Uon约减小2~2.5mV。②温度升高后，二极管反向饱和电流IS大大增大（反向特性下移）。温度每升高10℃，反向饱和电流约增大一倍。⒊温度对二极管伏安特性的影响①温度升高后，二极管死区电压10图1-7温度对伏安特性的影响图1-7温度对伏安特性的影响11⒋二极管的主要特性参数⑴最大整流电流IF⑵最高反向工作电压URM⑶反向电流IR和反向饱和电流IS⑷最高工作频率fM⒋二极管的主要特性参数⑴最大整流电流IF⑵最高反向工作12⒌理想二极管⑴理想二极管模型⑵恒压降模型图1-8理想二极管的伏安特性a)理想二极管模型b)恒压降模型⒌理想二极管⑴理想二极管模型⑵恒压降模型图1-8理13【例1-2】已知电路如图1-10a、b所示，VD为理想二极管，E=5V，ui=10Sinωt（V），试分别画出输出电压uO波形。

图1-10例1-2电路

【例1-2】已知电路如图1-10a、b所示，VD为理想二极管14解：（1）图1-10a电路：VD导通时，UD=0，按uO=UD+E=E=5V。VD截止时，电阻中无电流流过，UR=0，按uO=UR+ui=ui=10Sinωt（V）。VD端正极电压大于5V时，VD导通；小于5V时，VD截止。画出uO波形如图1-10c所示。例1-2电路及ui、uO波形

解：（1）图1-10a电路：VD导通时，UD=0，按uO=U15（2）图1-10b电路：二极管VD导通时，uO=UD+ui=ui二极管VD截止时，uO=UR+(-E)=-E=-5VVD端正极电压大于-5V时导通，小于-5V时截止，画出uO波形如图1-10d所示。例1-2电路及ui、uO波形

（2）图1-10b电路：二极管VD导通时，uO=UD+u16解题说明：求解含有理想二极管电路时，可先判断二极管导通还是截止。若二极管导通，则用短路导线替代二极管VD；若二极管截止，则将二极管开路。然后按一般线性电路分析计算。解题说明：求解含有理想二极管电路时，可先判断二极管导通还是截171.2特殊二极管

1.2.1稳压二极管⒈伏安特性与普通二极管的伏安特性相似。区别在于反向击穿特性很陡，反向击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化却很小。图1-13稳压二极管符号及伏安特性

a)符号b)伏安特性1.2特殊二极管1.2.1稳压二极管⒈伏安特性与18⒉稳压工作条件①电压极性反偏；②有合适的工作电流。⒊主要特性参数⑴稳定电压UZ。⑵稳定电流IZ。⑶最大耗散功率PZM和最大工作电流IZM。⑷动态电阻rZ。稳压管的质量参数，rZ越小，稳压管稳压特性越好。⑸电压温度系数αZ⒉稳压工作条件①电压极性反偏；②有合适的工作电流。⒊191.2.2

发光二极管正向压降大多在1.5V~2V之间；工作电流为几mA~几十mA，亮度随电流增大而增强，典型工作电流10mA；图1-14发光二极管符号及电路a)符号b)应用电路1.2.2发光二极管正向压降大多在1.5V~2V之间；工201.3双极型三极管1.3.1三极管慨述⒈基本结构和符号图1-18NPN型三极管的结构和符号a)结构示意图b)符号图1-19PNP型三极管的结构和符号a)结构示意图b)符号1.3双极型三极管1.3.1三极管慨述⒈基本结构和21⒉分类⑴按极性分：NPN型和PNP型；⑵按半导体材料分：硅三极管和锗三极管；⑶按用途分：放大管、开关管、功率管等；⑷按工作频率分：低频管和高频管；⑸按功率大小分：小功率管和大功率管；⒉分类⑴按极性分：NPN型和PNP型；⑵按半导体材料分22⒊电流放大原理⑴三极管内部载流子的传输过程图1-20NPN型三极管中载流子运动及各电极电流⒊电流放大原理⑴三极管内部载流子的传输过程图1-2023⑵电流分配关系⑶电流放大功能也可写成：⑵电流分配关系⑶电流放大功能也可写成：241.3.2三极管的特性曲线和主要参数⒈三极管电路的三种基本组态图1-21三极管三种基本组态电路a)共射极b)共基极c)共集电极1.3.2三极管的特性曲线和主要参数⒈三极管电路的三25⒉共发射极特性曲线⑴输入特性曲线1）定义：2）特点：①是一族曲线，uCE＝１V的那一条可以作为代表。②与二极管正向伏安特性曲线相似。③放大工作状态时，硅管uBE约为0.6～0.7V，锗管约0.2～0.3V。图1-22NPN型三极管共发射极电路输入特性曲线⒉共发射极特性曲线⑴输入特性曲线1）定义：2）特点：①26⑵输出特性曲线1）定义：2）特点：①是一族曲线，对应于每一iB都有一条输出特性曲线。②当uCE＞1V后，曲线比较平坦，即iC不随uCE增大而增大。③当iB增加时，曲线上移，表明对于同一uCE，iC随iB增大而增大，这就是三极管的电流放大作用。图1-22NPN型三极管共发射极电路输出特性曲线⑵输出特性曲线1）定义：2）特点：①是一族曲线，对应于27⒊三极管共射电路工作状态

图1-23三极管3个工作区域⑴放大区条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：iC＝βiB，iC与iB成正比关系。⑵截止区条件：发射结反偏，集电结反偏。特点：iB＝0，iC＝ICEO≈0⑶饱和区条件：发射结正偏，集电结正偏。特点：iC与iB不成比例。即iB增大，iC很少增大或不再增大，达到饱和，失去放大作用。⑷击穿区击穿区不是三极管的工作区域。⒊三极管共射电路工作状态图1-23三极管3个工作区域28⒋三极管的主要参数⑴电流放大系数⑵集-基反向饱和电流ICBO和集-射反向饱和电流ICEO是表征三极管质量的重要参数。ICEO与ICBO的关系：⒋三极管的主要参数⑴电流放大系数⑵集-基反向饱和电流29图1-24三极管极间反向电流a)ICBOb)ICEO

⑶集电极最大允许电流ICM⑷集电极最大允许耗散功率PCM⑸集-射极反向击穿电压U(BR)CEO图1-24三极管极间反向电流⑶集电极最大允许电流ICM30⑹饱和压降UCES⑺特征频率fT图1-25ICEO、U(BR)CEO和UCES图1-26三极管PCM曲线⑹饱和压降UCES⑺特征频率fT图1-25ICEO、31⒌三极管安全工作区图1-27三极管安全工作区⒌三极管安全工作区图1-27三极管安全工作区32【例1-4】已测得三极管各极对地电压值为U1、U2、U3，且已知其工作在放大区，试判断其硅管或锗管？NPN型或PNP型？并确定其E、B、C三极。⑴U1=5.2V，U2=5.4V，U3=1.4V；⑵U1=-2V，U2=-4.5V，U3=-5.2V。解：⑴PNP型锗管，U1

、U2

、U3引脚分别对应B、E、C极；⑵NPN型硅管，U1、U2

、U3引脚分别对应C、B、E极。【例1-4】已测得三极管各极对地电压值为U1、U2、U3，且33分析此类题目的步骤是：①确定硅管或锗管，确定集电极C。三极管工作在放大区时UBE：硅管约0.6～0.7V，锗管约0.2～0.3V。据此，可寻找电压差值为该两个数据的引脚。若为0.6～0.7V，则该管为硅管；若为0.2～0.3V，则该管为锗管，且该两引脚为B极或E极，另一引脚为C极。题⑴中U1

U2、题⑵中U2U3符合此条件，因此可确定：题⑴为锗管，U3引脚对应C极；题⑵为硅管，U1引脚对应C极。分析此类题目的步骤是：①确定硅管或锗管，确定集电极C。三极34②确定NPN型或PNP型。三极管工作在放大区时，满足CB结反偏条件，NPN型C极电压高于BE极；PNP型C极电压低于BE极。因此比较C极电压与BE引脚电压高低，可确定NPN型或PNP型。题⑴中U3低于U1

U2，为PNP型；题⑵中U1高于U2U3，为NPN型。③区分B极和E极。三极管工作在放大区时，NPN型各极电压高低排列次序为UC＞UB＞UE；PNP型各极电压高低排列次序为UC＜UB＜UE。题⑴中U1为B极，U2为E极；题⑵中U2为B极，U3为E极。②确定NPN型或PNP型。三极管工作在放大区时，满足CB结35【例1-5】已测得电路中几个三极管对地电压值如图1-31，已知这些三极管中有好有坏，试判断其好坏。若好，则指出其工作状态（放大、截止、饱和）；若坏，则指出损坏类型（击穿、开路）。图1-31例1-5电路解：a）放大；b）饱和；c）截止；d）损坏，BE间开路；e）BE间击穿损坏或外部短路；或三极管好，处于截止状态；f）饱和；g）放大；h）截止。【例1-5】已测得电路中几个三极管对地电压值如图1-31，已36分析此类题目的判据和步骤是：①判发射结是否正常正偏。凡满足NPN硅管UBE=0.6～0.7V，PNP硅管UBE=-0.6～-0.7V；NPN锗管UBE=0.2～0.3V，PNP锗管UBE=-0.2～-0.3V条件者，三极管一般处于放大或饱和状态。不满足上述条件的三极管处于截止状态，或已损坏。a）、b）、f）、g）满足条件；c）、d）、e）、h）不满足条件。分析此类题目的判据和步骤是：①判发射结是否正常正偏。凡满足37②区分放大或饱和。区分放大或饱和的条件是集电结偏置状态：集电结正偏，饱和，此时UCE很小，b）、f）满足条件；集电结反偏，放大，此时UCE较大，a）、g）满足条件。但若NPN管UC＜UE，PNP管UC＞UE，则电路工作不正常，一般有故障。若UC=VCC（电路中有集电极电阻RC），说明无集电极电流，C极内部开路。②区分放大或饱和。区分放大或饱和的条件是集电结偏置状态：集38③若发射结反偏，或UBE小于①中数据，则三极管处于截止状态或损坏。c）、e）、h）属于这一情况。④若满足发射结正偏，但UBE过大，也属不正常情况，如d）。③若发射结反偏，或UBE小于①中数据，则三极管处于截止状态391.4场效应管场效应管只有一种载流子（多数载流子）参与导电，称为单极型晶体管。⒈分类⑴从结构上可分为结型和MOS型(绝缘栅型)。⑵从半导体导电沟道类型上可分为P沟道和N沟道。⑶从有无原始导电沟道上可分为耗尽型和增强型。⒉内部结构和工作原理利用电场效应原理，用输入电压开启、夹断或改变导电沟道宽窄，从而控制输出电流的大小。1.4场效应管场效应管只有一种载流子（多数载流子）参与导40⒊特性曲线⑴转移特性1）定义：2）特点：①为一族曲线。|uDS|＞|UGS(off)|后，曲线族基本重合。②也有死区，分别称为夹断电压UGS(off)(结型、耗尽型MOS适用)和开启电压UGS(th)(增强型MOS适用)。③IDSS一般为场效应管最大电流。增强型MOS无IDSS参数。⒊特性曲线⑴转移特性1）定义：2）特点：①为一族曲线413）数学表达式①结型、耗尽型MOS：②增强型MOS：图1-32N沟道场效应管转移特性3）数学表达式①结型、耗尽型MOS：②增强型MOS：42⑵输出特性1）定义：图1-33N沟道场效应管输出特性曲线a)结型b)耗尽型MOSc)增强型MOS⑵输出特性1）定义：图1-33N沟道场效应管输出特性43