第4章半导体基本器件

第4章半导体基本器件主要内容半导体的基本知识与PN结半导体二极管及其应用电路双极型三极管及其特性参数场效应管及其放大电路2对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC

的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。

学习要求：3§4.1半导体的基本知识与PN结物质的分类

绝缘体：ρ

1012

cm如：橡胶、陶瓷、塑料等导体：电阻率ρ<10-4

cm如：金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、锡（Sn）导电性能介于导体与绝缘体之间，受温度、光照和掺杂程度影响极大半导体：10-3

cm<ρ<109

cm硅或锗4一、半导体的基本知识纯净的、具有晶体结构的半导体。1.本征半导体284+14Si28184+32Ge4个价电子将四价元素硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。晶体结构+4惯性核+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键5本征激发两种载流子在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。因热运动产生自由电子空穴对的现象。本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很低。如果在其中参入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强，且其导电性能由杂质的类型和掺杂的数量支配，而不再取决于温度。62.N型半导体和P型半导体N型半导体在本征半导体中掺入5价原子如砷（As）、磷（P）P型半导体在本征半导体中掺入3价原子如硼（B）、镓（Ga）+4+4+4+4+4+4+4+5+5电离产生自由电子+4+4+4+4+4+4+4+3+3多余空穴多数载流子：电子少数载流子：空穴多数载流子：空穴少数载流子：电子7二、PN结1.PN结的形成在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体。在两种半导体交界面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。扩散：由于载流子浓度差引起的载流子从浓度高的地方向浓度低的地方运动漂移：在电场力的作用下，载流子发生的定向运动。+-内电场动态平衡8PN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。2.PN结的单向导电性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。结论：PN结具有单向导电性。9§4.2半导体二极管及其应用电路将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。1、点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频路。一、电路符号与基本结构+−iDuD电路符号103、平面型二极管2、面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。11604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V反向特性死区电压当加正向电压，且u>>

VT时,VT称为死区电压。硅管：VT≈0.5V，锗管：VT≈0.1V。导通时的正向压降硅管：0.6~0.7V，锗管：0.2~0.3V。正向特性1.正向特性2.反向特性电流很小，几乎为零。当u＜0时，i=−Is（反向饱和电流）+−iDuD二、二极管伏安特性12当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。3.反向击穿特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V反向特性击穿电压U(BR)13三、主要参数

2.最高反向工作电压UDRM它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。1.最大整流电流IFM最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。3.最大反向电流IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。14四、二极管的电路模型二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的模型分析法。oiDuD+−iDuD二极管导通后，硅管：uD＝0.7V，锗管：uD＝0.3V。相当于一理想开关。2.恒压降模型1.理想模型15五、二极管应用电路在电子技术中二极管电路得到广泛应用。基本电路有限幅电路、整流电路、钳位电路、开关电路等。1.整流电路当us>0，D导通，uo=vs；当us<0，D截止，uo=0。单向整流电路162.限幅电路二极管D1、D2用恒压降模型，UON=0.7V。当uS>UON时，D1导通，D2截止，uo=0.7V；当uS<−UON时，D2导通，D1截止，uo=−0.7V；当|uS|<UON时，D1、D2均截止，uo=us。输出电压被限幅在0.7V，称双向限幅电路。17例4.1在图中，输入电位UA=+3V，UB=0V，电阻R接负电源–12V。求输出端电位UO。

因为UA高于UB，所以D1优先导通。设二极管的正向压降是0.3V，则UO=+2.7V。当D1导通后,D2因反偏而截止。D1起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7V。解：18六、特殊二极管稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管工作于反向击穿区。I/mAOUZIZIZM+

正向

+反向

UZ

IZU/V1.稳压管稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用19稳压管的主要参数：1.稳定电压UZ

4.稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。3.动态电阻rZ2.电压温度系数

U（%/℃）5.最大允许耗散功率PZM

稳压值受温度变化影响的的系数。20电阻的作用:

起限流作用，以保护稳压管；

当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。21正常稳压时UO=UZ稳压条件是什么？IZmin≤IZ≤IZmax不加R可以吗？当Ui为正弦波，且幅值大于UZ，UO的波形是怎样的？222.发光二极管ak当电流流过时，发光二极管将发出光来，光的颜色由二极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几mA至几十mA之间。另一重要作用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号。发光二极管的符号233.光电二极管akakipup+

（a）光电二极管的符号（b）光电二极管的等效电路光电二极管可将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与照度成正比。24§4.3双极型三极管及其特性参数三极管结构与工作原理三极管特性曲线及主要参数25一、双极型三极管三极管的结构与符号电流分配与放大作用三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的其它形式261.三极管的结构与符号半导体三极管简称三极管，是由2个PN结构成的，其基本功能：具有电流放大作用。N型硅BECN型硅P型硅(a)平面型二氧化硅保护膜铟球N型锗ECBPP(b)合金型铟球27按结构可分为：NPN型和PNP型。集电极，用C表示集电区，掺杂浓度低基极，用B表示基区，薄发射区，掺杂浓度高发射结集电结，面积比发射结大发射极，用E表示28发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。becbecNPN型与PNP型三极管的工作原理相似，只是使用时所加电源的极性不同。29三极管内部载流子的运动规律IEIBICENBCNPEBRBEC30mA

AVVmAICECIBIERB+UBE

+UCE

EBCEB3DG100用实验说明三极管的电流分配与放大作用实验电路采用共发射极接法，NPN型管。为了使三极管具有放大作用，电源EB和EC的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，2.电流分配与放大作用31IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05三极管电流测量数据结论：(1)符合KCL，且IC≈IE(2)IB对IC有控制作用。IB的改变控制了IC的变化，体现了三极管的电流控制作用。电流放大系数32NPN型三极管应满足:UBE

>0UBC

<

0即

UC>

UB>

UEPNP型三极管应满足:UEB>0UCB

<0即

UC

<UB<

UE三极管实现放大的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压。ICIEIBB

UBE+

UCE+

ECICIEIBB

UBE+

UCE+

EC33例4.2在放大电路中测得4个三极管的各管脚对“地”电位如图所示。试判断各三极管的类型（是NPN型还是PNP型，是硅管还是锗管），并确定e、b、c三个电极。34分析：1）工作于放大状态的三极管，发射结应正偏，集电结应反偏，因而NPN型有VC>VB>VE，PNP型有VC<VB<VE。可见基极电位总是居中，据此可确定基极。2）硅管|UBE|=0.6~0.8V，锗管|UBE|=0.2~0.4V，则与基极电位相差此值的电极为发射极，并可判断是硅管还是锗管。3）余下一电极为集电极。4）集电极电位为最高的是NPN型管，集电极电位为最低的是PNP型管。35（c）PNP型硅管，①-集电极，②-基极，③-发射极（a）NPN型硅管，①-发射极，②-基极，③-集电极（d）NPN型锗管，①-基极，②-集电极，③-发射极（b）PNP型锗管，①-集电极，②-基极，③-发射极36输入特性曲线++−−iBiCuBEuCEiB

和uBE之间的关系与二极管相似。三极管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生iB。3.三极管的特性曲线37输出特性曲线(1)放大区对NPN型管而言，应使，UC

>UB>

UE。++−−iBiCuBEuCEIC＝βIB(2)截止区IB=0时,IC=ICEO(很小)。为了使三极管可靠截止，常使UBE

0，截止时集电结也处于反向偏置(UBC

<

0)，此时,IC

0。38(3)饱和区当UCE＝UCES<UBE时，集电结处于正向偏置(UBC

>

0)，三极管工作于饱和状态。在饱和区，IC和IB不成正比。++−−iBiCuBEuCE当三极管饱和时，UCE

0，C-E间如同一个开关的接通；当三极管截止时，IC

0，C-E之间如同一个开关的断开；可见，三极管除了有放大作用外，还有开关作用。39

管型工作状态饱和放大截止UBE/VUCE/V

UBE/V

UBE/V开始截止可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)0.7

0.30.30.10.6~0.70.2~0.30.5

0.1

0

0.1三极管结电压的典型值++−−iBiCuBEuCE40例4.3（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）测得电路中三极管3个电极的电位如图所示。问哪些管子工作于放大状态，哪些处于截止、饱和、倒置状态，哪些已损坏？41（a）（b）（c）（d）（a）发射结、集电结均反偏，管子截止。（b）发射结反偏、集电结正偏，管子截止。（c）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。（d）发射结、集电结均正偏，管子饱和。42（e）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。（f）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。（g）发射结偏、集电结均正偏，管子饱和。（h）VBE=2.7V，远大于发射结正偏时的电压，故管子已损坏。434.三极管的主要参数（1）电流放大系数直流放大系数交流放大系数在输出特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下,可近似认为iCuCEoICEO44（2）极间反向电流1）集-基极间反向饱和电流ICBOμA+−ICBOUCC其大小取决于温度和少数载流子的浓度。小功率锗管：ICBO≈10μA，小功率硅管：ICBO≤1μA。测量电路2）集-射极间反向饱和（穿透）电流ICEOμAICEOUCCICEO=（1+β）ICBOICEO大的管子性能不稳定，通常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。当工作环境温度变化范围较大时应选硅管。45（3）极限参数1）集电极最大允许电流ICM当

值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM。2）集—射反相击穿电压U(BR)CEO表示三极管电极间承受反向电压的能力。当UCE

U(BR)CEO时，ICEO，管子损坏。463）集电极最大允许功率损耗PCMPCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值，集电结会过热烧毁。

PCM=iCuCE对大功率管为了提高PCM，通常采用加散热装置的方法。iCU(BR)CEOuCEPCMoICEO安全工作区ICM475.三极管的其它形式1）复合三极管β＝β1β2复合管的类型取决于T1管482）光电三极管和光电耦合器将光信号转变为电流信号，且可将光电流放大β倍。光电三极管光电耦合器实现电-光-电的传输和转换。494.4场效应管及其放大电路绝缘栅型场效应管共源极放大器源极输出器50场效应管（FiedlEffectTransistor——FET）是利用电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具有输入电阻高（MOSFET最高可达1015Ω）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中得到广泛应用。按结构，场效应管可分两大类：结型场效应管（JFET）绝缘栅型场效应管（IGFET）51绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为金属（铝）栅极和半导体之间绝缘层，又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorFET)。MOSFET可分为增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道一、绝缘栅型场效应管52结构1）结构N沟道增强型MOSFET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。栅极G源极S漏极D衬底B1、N沟道增强型MOSFET53

栅源电压vGS的控制作用——形成导电沟道正电压vGS产生的反型层把漏-源连接起来，形成宽度均匀的导电N沟道，自由电子是沟道内的主要载流子。反型层刚形成时，对应的栅源电压vGS称为开启电压，用VT表示。2）工作原理原理154

漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用

vGS≥VT，加vDS，形成iD，且iD与vDS基本成正比。因vDS形成电位差，使导电沟道为梯形。

vDS增大至vGD=vGS−vDS<VT，沟道被预夹断（漏端），管子进入饱和区。原理255

沟道预夹断后，vDS继续增大，夹断点向源极方向移动，iD略有增大。vGS变化时，vGS<VT，没有导电沟道，iD≈0；

vGS=VT时开始形成导电沟道