电工电子技术 课件-电工电子技术 第3章

1第三章半导体器件3.1半导体及PN结3.2

二极管及其应用3.3

三极管3.4场效应管2图

本征半导体的共价键结构3.1.1本征半导体及其导电性3.1.半导体及PN结图

电子和空穴的移动1.本征半导体2.本征激发自由电子空穴复合自由电子空穴载流子:运载电荷的粒子3本征半导体及其导电性

本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。(1）本征半导体的共价键结构

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。4

（2）电子空穴对

当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱共价键的束缚，而参与导电，成为自由电子。

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。

这一现象称为本征激发，也称热激发。5图1N型半导体的共价键结构3.1.2杂质半导体3.1半导体及PN结图2P型半导体的共价键结构1.N型半导体掺入少量的五价元素磷P2.P型半导体掺入少量的三价元素硼B自由电子是多数载流子（简称多子）空穴是少数载流子（简称少子）空穴是多数载流子自由电子为少数载流子。6图PN结的形成(a)载流子的扩散(b)空间电荷区(c)结区电位分布曲线3.1.3PN的形成3.1半导体及PN结1.PN结的形成7PN结的形成

在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

因浓度差

多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散8

最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为

PN结,在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

9

图

外加正向电压时的PN结图

外加反向电压时的PN结3.1.4PN结的单向导电性3.1半导体及PN结10

如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；

PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P

区流到N

区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。11图PN结伏安特性3.1.5PN结的伏安特性正向特性反向特性反向击穿特性倍增效应雪崩击穿齐纳击穿3.1半导体及PN结12图1势垒电容与外加电压关系图2扩散电容效应(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD3.1.6.PN结电容效应3.1半导体及PN结13知识小结（半导体及PN结）1.本征半导体：特性、两种载流子、本征激发与复合2.杂质半导体N型掺杂5价元素，自由电子>空穴P型掺杂3价元素，空穴>自由电子3.PN结的形成：空间电荷区形成并达到稳定宽度。4.单向导电性正偏（P接正N接负）正向导通反偏（P接负N接正）反向截止5.伏安特性143.2二极管及其应用3.2.1二极管的结构与伏安特性3.2.2

二极管的主要参数与等效电路3.2.3

二极管的应用电路3.2.4

其他二极管将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管1.

二极管的结构3.2.1

二极管的结构与伏安特性图3.2.1半导体二极管的结构及符号3.2.1

二极管的结构与伏安特性图3.2.2几种常见二极管的结构及符号(a)

点接触型(b)

面接触型(c)

平面型点接触型：结面积小，结电容小故结允许的电流小最高工作频率高面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频率低平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许电流大材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA开启电压反向饱和电流击穿电压温度的电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。3.2.1

二极管的结构与伏安特性2.

二极管的伏安特性18(a)硅二极管的2CP10的伏安特性（b）锗二极管2AP15的伏安特性图3.2.3二极管的伏安特性曲线3.2.1

二极管的结构与伏安特性正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线3.2.1

二极管的结构与伏安特性单向导电性伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移增大1倍/10℃3.2.1

二极管的结构与伏安特性21IF

、UR

和fM均为极限参数，实际使用中不能超过。3.2.2

二极管的主要参数与等效电路1.二极管的主要参数最大整流电流IF：最大平均值最大反向工作电压UR：最大瞬时值反向电流IR：即IS最高工作频率fM：因PN结有电容效应理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时△i与△u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！将伏安特性折线化？100V？5V？1V？3.2.2

二极管的主要参数与等效电路2.二极管的等效电路微变等效电路Q越高，rd越小。

当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流3.2.2

二极管的主要参数与等效电路24如何判断二极管的工作状态，求解输出电压。定性分析：判断二极管的工作状态—导通还是截止？开路电压法：确定参考零电位点；二极管视为开路，求和；分析两端电位差，判导通或截止；求输出。3.2.2

二极管的主要参数与等效电路3.

开路电压法25知识总结2.二极管及其应用二极管基本特性：单向导电性、温度特性主要参数：IF、UBR、IR、fM

等效电路：理想模型（理想开关）

恒压降模型（开启电压近似为导通压降）开路电压法：视开路，求UD+-UD-，判断工作状态26

图3.2.3单相半波整流电路3.2.3

二极管的应用电路1.

整流电路将交流电变换成大小波动、方向不变的脉动电的过程称为整流。27

（a）电路图

（b）v2和vo的波形图3.2.4单向全整流电路【思考题】二极管电路如图3.2.4(a)所示，已知u1为正弦信号，D为理想二极管，试分析电路输出电压uo的波形。3.2.3

二极管的应用电路283.2.3

二极管的应用电路2.

限幅电路限幅电路的作用是把输出信号幅值限定在一定范围。图3.2.5二极管限幅电路29稳压二极管又称齐纳二极管，是一种特殊的硅材料二极管，由于其在一定条件下能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。其符号如图3.2.6所示。图3.2.6稳压二极管的外形图及符号(a)外形图(b)符号3.2.4

其他二极管1.

稳压二极管伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流

由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。主要参数稳定电压UZ、稳定电流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ动态电阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ

若稳压管电流太小则不稳压，太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！限流电阻斜率？3.2.4

其他二极管31输入电压变化，输入电流随之变化，稳压管中电流同步变化，但输出电压基本不变；

负载电阻变化，输出电流随之变化，稳压管中电流反向变化，电压仍不变。图3.2.7稳压管稳压电路限流电阻，保证稳压安全地工作在稳压状态。工作区：反向击穿区接法：反接RL：负载稳压电路工作原理3.2.4

其他二极管32光电二极管是一种将光信号转化成电信号的器件。该器件PN结在反偏下运行，反向电流随光照强度增加而上升。外形图及符号如图3.2.8所示。图3.2.8光电二极管的符号（a）外形图（b）符号3.2.4

其他二极管2.

光电二极管33图3.2.9光电二极管电路图（a）等效电路（b）基本电路工作区：反向偏置接法：反接作用：把光信号转换成电信号3.2.4

其他二极管电路原理34光电二极管工作在反偏状态下，无光照时，具有单向导电性；有光照时，特性曲线下移，三象限特性曲线平行横轴，四象限时呈现光电池特性。图3.2.10光电二极管的特性曲线暗电流光电流3.2.4

其他二极管特性曲线35发光二极管简称LED，是一种能将电能转换成光能的半导体材料，外形图及符号如图3.2.11所示。图3.2.11发光二极管的外形图及符号（a）外形图（b）符号3.2.4

其他二极管3.

发光二极管特点：体积小、工作电压低、发光均匀稳定、寿命长等。36工作区：正向偏置接法：正接作用：把电信号转换成光信号主要应用：作为显示器图3.2.12发光二极管电路图（a）光—电转换电路（b）基本电路3.2.4

其他二极管电路原理37知识总结2.二极管及其应用二极管基本特性：单向导电性、温度特性主要参数：IF、UBR、IR、fM

等效电路：理想模型（理想开关）

恒压降模型（开启电压近似为导通压降）开路电压法：视开路，求UD+-UD-，判断工作状态基本电路：整流电路、限幅电路特殊二极管：稳压、光电、发光383.3

三极管3.3.1三极管的结构及类型3.3.2

三极管电流关系及输入/输出特性3.3.3

三极管主要参数及温度影响中功率管大功率管为什么有孔？1.

三极管的结构3.3.1

三极管的结构及类型小功率管

半导体三极管又称晶体三极管（简称晶体管），是按照一定的工艺将两个PN结结合在一起的半导体器件，是电子线路的核心器件，具有电流放大作用。多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。2.

三极管的类型-NPN管3.3.1

三极管的结构及类型图3.3.1

NPN结构示意图及符号(a)NPN管结构示意图(b)NPN管电路符号发射结正偏时射极电流方向多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。2.

三极管的类型-PNP管3.3.1

三极管的结构及类型图3.3.2

PNP结构示意图及符号(a)PNP管结构示意图(b)PNP管电路符号发射结正偏时射极电流方向42图3.3.3

三极管内部载流子的传输过程

三极管内部载流子的传输过程发射结加正偏电压集电结加反偏电压(1)发射区向基区注入载流子(2)载流子在基区扩散与复合(3)集电区收集

载流子ICN注意：

少数载流子的漂移运动ICBO

1.

工作原理3.3.2

电流关系及输入/输出特性电流分配：IE＝IB＋IC

IE－扩散运动形成的电流

IB－复合运动形成的电流

IC－漂移运动形成的电流穿透电流集电结反向电流直流电流放大系数交流电流放大系数为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？2.

电流分配关系3.3.2

电流关系及输入/输出特性44共基极

共发射极

共集电极图3.3.4BJT的三种连接方式（或称为三种组态）注意：

无论是哪种连接方式，要使三极管有放大作用，都必须保证发射结正偏、集电结反偏，则三极管内部载流子的运动和分配过程，以及各电极的电流将不随连接方式的变化而变化。电流传输关系:输出端电流与输入端电流之间的关系。3.3.2

电流关系及输入/输出特性为什么UCE增大曲线右移？

对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？

输入特性3.

输入/输出特性3.3.2

电流关系及输入/输出特性

输出特性β是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。

为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区放大区截止区3.3.2

电流关系及输入/输出特性

直流参数：、、ICBO、ICEOc-e间击穿电压最大集电极电流最大集电极耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作区

交流参数：β、α、fT（使β＝1的信号频率）

极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO3.3.3

主要参数及温度影响1.

主要参数3.3.3

主要参数及温度影响2.

温度对特性曲线的影响49知识总结1.半导体及PN结半导体材料的特性：光敏、温敏本征半导体：本征激发

复合

两种载流子杂质半导体：N型（5价元素、自由电子>空穴）

P型（3价元素、空穴>自由电子）PN结：多子扩散形成空间电荷区正向导通（P正、N负，促扩散阻漂移）

反向截止（P负、N正，促漂移阻扩散）50知识总结PN结伏安特性：PN结电容效应：Cj=Cb+Cd51知识总结2.二极管及其应用二极管基本特性：单向导电性、温度特性主要参数：IF、UBR、IR、fM

等效电路：理想模型（理想开关）

恒压降模型（开启电压近似为导通压降）开路电压法：视开路，求UD+-UD-，判断工作状态基本电路：整流电路、限幅电路特殊二极管：稳压、光电、发光52知识总结3.三极管结构与类型：NPN管、PNP管（3区3电极，2PN结）输入/输出特性：工作原理：放大条件（发射结正偏，集电结反偏）

电流关系温度对特性曲线的影响：533.4场效应管3.4.1结型场效应管3.4.2绝缘删型效应管54

一、结型场效应管的结构和工作原理3.4.1结型场效应管1.结构图1N沟道结型场效应管(a)结构剖面图(b)结构示意图(b)符号导电沟道55一、结型场效应管的结构和工作原理2.工作原理(a)vGS＝0 (b)VP＜vGS＜0时 (c)vGS≤VP时图2vDS＝0时，栅源电压vGS改变对导电沟道的影响(1)vGS对导电沟道及iD的控制作用

当vGS0时，在反偏电压vGS作用下，两个PN结的耗尽层将加宽。由于P＋区，所以耗尽层主要向沟道扩展，使导电沟道变窄，沟道电阻增大。

当|vGS|进一步

到|VP|时，两侧耗尽层在中间合扰，沟道全部被夹断，此时漏-源极间的电阻将趋于无穷大。相应的栅源电压称为夹断电压VP。3.4.1结型场效应管56

(2)vDS对iD的影响(a)vDS＜vGS

VP时的情况 (b)vDS=vGS

VP时的情况 (c)vDS＞vGS

VP时的情况图3vGS为固定值时，vDS对iD的影响一、结型场效应管的结构和工作原理2.工作原理

当vDS0时，则iD0，在沟道内产生电位梯度。使栅极与沟道之间的电位差不相等，导电沟道呈楔形。故vDS

，靠近漏极的导电沟道变窄，沟道电阻增加。

在vDS较小时，阻碍的因素是次要的，iD将随vDS

几乎成正比地增加(可变电阻)

当vDS

=vGS

VP(vGD＝vGS－vDS＝VP)时，靠近漏极的耗尽层在A点相遇(预夹断)

若vDS继续

，夹断区加长。vDS增加部分主要降落在夹断区，形成较强的电场，将电子拉过夹断区形成iD。沟道内电场基本上不随vDS而变化，所以iD趋于饱和。3.4.1结型场效应管57二、结型场效应管的特性曲线及参数图4N沟道结型场效应管的输出特性图5

N沟道结型场效应管的转移特性3.4.1结型场效应管58

一、N沟道增强型MOS场效应管3.4.2绝缘删型场效应管BJT三极管场效应管电流控制电流型器件电压控制电流型器件双极型器件单极型器件场效应管按基本结构分类:金属一氧化物-半导体场效应管（MOSFET）结型场效应管（JFET）N沟道（电子型）P沟道（空穴型）增强型耗尽型重点讨论N沟道增强型MOS管1.结构2.工作原理3.特性曲线与特性方程591.结构一、N沟道增强型MOS场效应管(a)结构图(b)结构剖面图(c)电路符号图1N沟道增强型MOSFET结构及符号602.工作原理一、N沟道增强型MOS场效应管（1）vGS对iD的控制作用①

vGS＝0，没有导电沟道②

vGS≥VT时，出现N型沟道（2）vDS对iD的影响①

vDS较小时，iD迅速增大②

vDS较大出现夹断时，iD趋于饱和612.工作原理（1）vGS对iD的控制作用（a）（b）一、N沟道增强型MOS场效应管①

vGS＝0，没有导电沟道②

vGS≥VT时，出现N型沟道

在vGS作用下，产生了一个电场，排斥空穴而吸引电子。P型衬底中的电子被吸引到栅极下的衬底表面。

源区、衬底和漏区之间就形成两个背靠背的PN结，无论vDS的极性如何，总有一个PN结反偏，因此，iD＝0。

当正vGS到达一定数值(开启电压)时，这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层，称之为反型层(导电沟道)。(增强型)vGS愈大，导电沟道愈厚，沟道电阻的阻值将愈小(场效应－电压控制)。622.工作原理8.1.1N沟道增强型MOS场效应管（d）（c）①

vDS较小时，iD迅速增大②

vDS较大出现夹断时，iD趋于饱和（2）vDS对iD的影响

导电沟道形成后加上vDS，将产生iD。在vGS和vDS共同作用下的综合电位梯度，使得沟道厚度不均匀，靠近漏极一端的沟道最薄。

当vDS较小时，沟道厚度不均匀现象对沟道影响较小。

当vDS

到使vGD=vGS

vDS=VT时，漏极一端的沟道厚度为零，这种情况称为预夹断。

当vDS继续，使vGS

vDS<VT时，形成一夹断区。vDS

部分主要降落在夹断区，形成较强的电场，电子仍能克服夹断区阻力到达漏极。但导电沟道的电场基本上不随vDS

而

，iD趋于饱和，仅取决于vGS。632.工作原理一、N沟道增强型MOS场效应管图2N沟道增强型MOSFET的基本工作原理示意图①当vGS＜VT

时，没有导电沟道，iD＝0。②当vGS≥VT，导电沟道形成，iD

0。

vDS较小，导电沟道预夹断前，iD与vDS成线性关系。

当vDS

到预夹断出现后，iD趋于饱和。③漏极电流iD受栅源电压vGS控制，因此场效应管是电压控制电流器件。由上述分析可知：643.特性曲线与特性方程一、N沟道增强型MOS场效应管(1)输出特性及特性方程(2)转移特性(1)输入特性曲线(2)输出特性曲线65(1)

输出特性及特性方程3.特性曲线与特性方程

一、N沟道增强型MOS场效应管图3N沟道增强型MOS管输出特性①

截止区②

可变电阻区③

饱和区（恒流区、放大区）vGS<VT，没有导电沟道，iD＝0。vGS＞VT，有沟道；但vDS≤(vGS

VT)，导电沟道未预夹断。漏源之间可以看成受vGS控制的可变电阻vDS≥(vGS

VT)，导电沟道预夹断后。66(2)

转移特性3.特性曲线与特性方程

一、

N沟道增强型MOS场效应管图4N沟道增强型MOS管转移特性图3N沟道增强型MOS管输出特性

转移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。在饱和区内，不同vDS下的转移特性基本重合。67

二、

N沟道耗尽型MOS场效应管(a)结构剖面图图5N沟道耗尽型MOSFET(b)电路符号1.结构和工作原理简述耗尽型与增强型的区别:生产耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入大量正离子。在正离子的作用下，即使vGS=0，也会在P型衬底上感应出电子，形成N型沟道，此时只要加上正的vDS，就会产生电流iD。当vGS

＜0时，则沟道变窄，从而使iD减小。当vGS

＞0时，栅极与沟道间的电场将在沟道中感应出更多的电子，使沟道变宽，沟道电阻减小，iD增加。当vGS＜0并达到某值时，使感应的电子消失，沟道完全被夹断。这时即使加正向vDS，也不会有电流iD。此时的栅源电压称为夹断电压Vp。3.4.2绝缘删型场效应管68

二、N沟道耗尽型MOS场效应管2.特性曲线与特性方程图6N沟道耗尽型MOS管特性曲线(a)输出特性曲线(b)转移特性①

截止区②

可变电阻区③饱和区（恒流区、放大区）vGS＜VP，iD=0vGS＞VP，0＜vDS＜vGS

VP

vGS＞VP，vDS≥vGS

VP

3.4.2绝缘删型场效应管69

三、

P沟道MOS场效应管P沟道MOS管是在N型衬底表面生成P型反型层作为沟道。P沟道MOS管与N沟道MOS管的结构和工作原理类