第八章半导体器件

8.1

半导体的基础知识8.2

半导体二极管8.4

集成稳压器8.5双极型晶体管8.3

特殊二极管8.8

晶闸管第八章半导体器件8.7集成电路

第8章目录8.6场效应晶体管一、电子技术的发展47年贝尔实验室制成第一只晶体管58年集成电路69年大规模集成电路75年超大规模集成电路第一片集成电路只有4个晶体管，而97年一片集成电路上有40亿个晶体管。科学家预测集成度按10倍/6年的速度还将继续到2015或2020年，将达到饱和。前言二、模拟电路数字量：离散性模拟量：连续性，大多数物理量，如温度、压力、流量、液面……均为模拟量。模拟电路：对模拟量进行处理的电路，最基本的处理是放大。放大：输入为小信号，有源元件控制电源使负载获得大信号，并保持线性关系。有源元件：能够控制能量的元件。三、“模拟电子技术基础”课程的特点

1、工程性实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。

实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围的。定量分析为“估算”。

近似分析要“合理”。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。

电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。2.实践性常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除方法

EDA软件的应用方法四、如何学习这门课程1.掌握基本概念、基本电路和基本分析方法

基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，“万变不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。

基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。2.学会辩证、全面地分析电子电路中的问题根据需求，最适用的电路才是最好的电路。要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。3.注意电路中常用定理在电子电路中的应用五、课程的目的1.掌握基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能。2.具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。

本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。

建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。

本征半导体的共价键结构硅原子价电子第8章8

1+4+4+4+4+4+4+4+4+48.1半导体的基础知识

导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失8章8

1视频+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。

空穴移动方向

电子移动方向

在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。价电子填补空穴第8章8

1视频+4+4+4（二）杂质半导体1.N

型半导体在硅或锗的晶体中

掺入少量的五价元素,如磷。磷原子+4正离子自由电子靠自由电子导电的半导体称N型半导体。自由电子的总数大于空穴，自由电子为多数载流子。+5第8章8

1

N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,电子是多数载流子,

空穴是少数载流子。第8章8

1+4+4+4（二）杂质半导体2.P

型半导体在硅或锗的晶体中

掺入少量的三价元素,如硼。硼原子+4负离子空穴靠空穴导电的半导体称P型半导体。空穴的总数大于自由电子，空穴为多数载流子。+3第8章8

1

P型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子第8章8

1P型N型（三）PN结PN结内电场方向1.PN

结的形成多数载流子P区的空穴向N区扩散并与电子复合，N区的电子向P区扩散，出现空间电荷区，称为PN结。少数载流子内电场阻碍多数载流子的扩散运动，加强少数载流子的漂移运动。第8章8

1视频多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。

第8章8

1内电场方向外电场方向RI2.PN

结的特性

外加正向电压P型N型PN结PN结变薄，扩散运动增强，形成较大的正向电流I。PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。E第8章8

1视频内电场方向外电场方向RI02.PN

结的特性

外加反向电压P型N型PN结PN结变厚，漂移运动增强，扩散运动难以进行，反向电流很小I。PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。E第8章8

1视频清华大学华成英四、PN结的电容效应1.势垒电容

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容

PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：

结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。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的电流大8.2

半导体二极管1.点接触型二极管(一)基本结构PN结面积、结电容小，可通过小电流。用于高频电路及小电流整流电路。半导体二极管是在一个PN结两侧加上电极引线而做成的+++

PN阳极阴极二极管的符号2.面接触型二极管PN结面积、结电容大，可通过大电流。用于低频电路及大电流整流电路。第8章8

2D点接触型二极管按结构的分类面接触型锗管二极管按材料分类硅管二极管按用途分类普通管开关管整流管正向压降0.2--0.3正向压降0.6--0.78.2

半导体二极管第8章8

2600400200-0.1-0.200.40.8-50-100I/mAU/V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性（二）二极管的伏安特性I/mAU

/V0.40.8-40-802460.10.2锗管的伏安特性正向特性反向特性反向特性死区电压死区电压硅管锗管0.50.2正向电压

0.6--0.70.2--0.3反向电流

小几微安大几百微安受温度影响

小大第8章8

2600400200-0.1-0.200.40.8-50-100I/mAU/V反向击穿特性（二）二极管的伏安特性正向电压二极管的近似和理想伏安特性I/mAU/V0（三）主要参数1.额定正向平均电流IF2.正向电压降UF3.最高反向工作电压UR4.最大反向电流IBmUR长时间使用时允许通过的最大正向电流平均值UF第8章8

2开启电压端电压温度的电压当量反向饱和电流电流正向特性为指数曲线反向电流为常量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，反向特性下移二极管的几个参数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最大整流电流IF：平均电流最高反向工作电压UR：瞬时值反向电流IR：IS，是对温度很敏感的参数最高工作频率fM：结电容作用的结果二极管应用举例二极管钳位电路DE3VRuiuouRuD例：下图中D为理想二极管,ui=6SintV,E=3V,画出

uo波形。ttui/Vuo/V63300

2

2

解：uiuD=–3ui>3uo=3V时D导通ui<3uo=ui时D截止第8章8

2tui/V630

2

DE3VRuiuRuDDE3V

双向限幅电路

uotuo/V03-3第8章8

2整流滤波toutoutoutoutou稳压负载直流稳压电源的结构框图变压交流电源第8章8

3u2T（四）整流电路RLD1D4D3D2A、工作原理uoioabi1i3to

2

3

uo2U2to

2

3

2U2totouoio2U2Im

2

2

3

3

uD1uD3uD4uD2u21.单相桥式整流电路第8章8

2totototo

2

3

uouDio

2

3

2U22U22U2Im

2

2

3

3

u2uD1uD3uD4uD2B、电压、电流的计算Uo=0.9U2=Io=UoRL0.9U2RLID=(1/2)IoUDRM=2U2选用二极管的依据是:ID稍小于IF

(最大整流电流）UDRM稍小于UR（最高反向工作电压）∫0

1

U2msintd

t=Uo负载直流电压负载直流电流二极管平均电流二极管最大反向电压第8章8

22.有电容滤波的整流电路A、工作原理u2Tu1RLD1D4D3D2uoioCucto2U2u2uc第8章8

2Cucu2Tu1RLD1D4D3D2uoiotoiDuo2U2ott1t4t3t2

D1D3D2D4D1D32.有电容滤波的整流电路A、工作原理第8章8

22U2Io

Uo0.9U20.45U2全波整流电容滤波电路的外特性TUo=1.2U2RLC(3~5)2UCN

2U2B、输出电压及元件参数选择特点：带负载能力差。适用于输出电压较高，输出电流较小的场合。2.有电容滤波的整流电路u2Tu1RLD1D4D3D2uoio第8章8

2Cuc3

有电感滤波的整流电路Tuou2RLLtUou'ouo、ioioo

2

3

u1u'oIO外特性0.9U2uoo电感L越大，滤波效果越好。外特性较硬适用于负载电流较大，且变化大的场合。第8章8

24

复式滤波电路A、LC

滤波电路Tuou2RLioLCu1LC滤波电路使输出电压波形更为平滑，滤波效果较好。第8章8

2Tu2RLu1B、型滤波器CLC滤波器CRC滤波器Tu2RLu1LCCCCRuoiouoio第8章8

2（一）稳压二极管IFUF0正向特性反向击穿区UZIZminIZmaxDZ正极负极符号伏安特性1.伏安特性、符号及主要参数8.3

特殊二极管第8章8

3IFUF0UZIZminIZmax硅稳压管的主要参数

稳定电压UZ

最小稳定电流IZmin

最大稳定电流IZmax

动态电阻rZ

IZ

UZrZ=

IZ

UZ

电压温度系数

VZT

最大允许耗散功率PM第8章8

3Uou2RLIou1CDZRUZIRIZUiu2UiUo=UZIZIRURUoA、稳压管稳压电路的工作原理2.硅稳压管稳压电路RLIoIRURUo(=UZ)IZURUoUi=UR+UOUi=UR+UO第8章8

3B、电路元件参数的选择稳压管UZ=UOIzmax=(2--3)IomaxUimax

-UoIzmax+Iomin<R<Uimin-UoIzmin+IomaxP>(Uimax-Uo)2R限流电阻

注意：（1）在稳压电路中，稳压管通常为反接；（2）使用稳压管时必须串联电阻。第8章8

3（二）光电二极管工作于反向偏置状态，无光照时，电路中电流很小；有光照时，电流会急剧增加。EDRL（三）发光二极管工作于正向偏置状态，正向电流通过时，它会发出光来。EDRL第8章8

3（一）三端集成稳压器的电路符号++2cw78003113_2_cw7900正输出负输出特点：体积小、使用方便，内部有过电流和过热保护电路，使用安全可靠。8.4

集成稳压器第8章8

4（二）三端集成稳压器基本稳压电路UO

=12VCW7812123CO++UiCi可根据需要，选用CW78XX，则Uo=XXV。Ci抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生振荡Co防止负载电流瞬时增加时，引起输出电压较大的波动0.33F0.1F第8章8

4（三）同时输出正、负电压的稳压电路CW7915CW7815CiCiCoCo+15V-15VUiUO1UO2选用不同稳压值的78XX和79XX，可构成同时输出不对称正、负电压的稳压电路。123123++++2.2F1F第8章8

4（四）提高输出电压的稳压电路UOCW782412++3UiCiCODZUZR输出电压UO

=

UXX

+UZ>UXX

UXX第8章8

4

一、晶体管的结构和符号小功率管中功率管大功率管为什么有孔？8.5双极型晶体管（一）基本结构内部有电子和空穴两种载流子参与导电的晶体管1NPN型NNPCBECEB集电极基极发射结集电结发射区集电区基区发射极NPN型晶体管的结构示意图NPN型晶体管的图形符号基区浓度小、很薄。发射区浓度大，发射电子。集电区尺寸大，收集电子，浓度低。第8章8

5T（一）基本结构8.5双极型晶体管2PNP型PPNCBECEB集电极基极发射结集电结发射区集电区基区发射极PNP型晶体管的结构示意图PNP型晶体管的图形符号按半导体材料的不同分为锗管和硅管，硅晶体管多为NPN型，锗晶体管多为PNP型。第8章8

5T发射区向基区扩散电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子

电子流向电源正极形成ICICRCRBUBBNPN电源负极向发射区补充电子形成

发射极电流IEUCC（二）三极管的电流控制原理EB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB第8章8

5视频由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：IC>>IB同样有:

IC>>

IB所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。RBEBECRCIC

UCECEBIBUBE电流关系：IE=IB+ICIE第8章8

5共发射极接法放大电路（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足:UBE>0、UBC

<0即VC

>

VB

>

VE且IC=

IB对于PNP型三极管应满足:

UBE<0、UBC

>0即VC

<VB

<

VE且IC=

IBRBEBECRCIC

UCECEBIBUBE输出回路输入回路公共端1.放大状态条件特征（三）三极管的工作状态IE第8章8

52.饱和状态

集电结、发射结均反向偏置，即UBE<0（1）IB增加时，IC基本不变，且IC

UC/RC

（2）UCE0

晶体管C、E之间相当于短路3.截止状态即UCE＜

UBE

（1）

IB=0、IC

0（2）

UCE

EC（3）

晶体管C、E之间相当于开路共发射极接法放大电路条件特征（1）发射结正向偏置；（2）集电结正向偏置。条件特征RBEBECRCIC

UCECEBIBUBEIE第8章8

5晶体管的

三个工作区域

状态uBE

iC

uCE

截止＜Uon

ICEO

VCC

放大≥Uon

β

IB≥uBE

饱和≥Uon＜β

IB

＜uBE1.

三极管的输入特性IBUBEOUCE

1VIB

=f(UBE)UCE=常数（四）三极管的特性曲线死区电压温度增加时，由于热激发形成的载流子增多，在同样的UBE下，基极电流增加。输入特性曲线左移。25C75CRBEBECRCIC

UCECEBIBUBEIE第8章8

5UCE

/VIB

=40µAIB

=60µAoIC2.三极管的输出特性

IB增加IB减小IB

=20µAIB=常数IC

=f(UCE)第8章8

5视频IC/mAUCE

/V0放大区三极管输出特性上的三个工作区

IB=0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µA第8章8

5温度对晶体管特性的影响视频（五）

三极管的主要参数

1.电流放大系数

直流电流放大系数IB

=

IC

交流电流放大系数

=

IC

IB2.穿透电流ICEO

3.集电极最大允许电流

ICM4.集--射反向击穿电压

U

(BR)CEO5.集电极最大允许耗散功率

PCM

极限参数使用时不允许超过ECRCCEBICE0由少数载流子形成，其值受温度影响很大，因此越小越好。

值下降到正常值的2/3所对应的集电极电流基极开路，集、射极之间最大允许电压。温度增加时其值减小。=UCE

IC第8章8

5UCE

/VIB=40µA60µAoIC

20µA61.52.3mA在输出特性上求

,

=ICIB=1.5mA40µA=37.5

=ICIB=2.3-1.5(mA)60-40(µA)=40设UCE

=6V第8章8

5IC/mAUCE

/V0IB=0µA20µA40µA60µA80µA由三极管的极限参数确定安全工作区U(BR)CEOICM安全工作区过损耗区PCM曲线ICEO第8章8

58.6场效应晶体管（一）基本结构一种极性的载流子（电子或空穴）导电的晶体管按结构不同分类：结型和绝缘栅型两大类按导电沟道类型不同分类：N沟道MOS管和P沟道MOS管两种，分别称NMOS管和PMOS管按导电沟道形成的不同分类：增强型和耗尽型两种。第8章8

6（一）基本结构P型硅衬底N区N区SGDB源极漏极栅极衬底引线浓度低浓度高SiO2绝缘层绝缘栅场效应管或NMOS场效应管DBSG符号第8章8

6（一）基本结构P型硅衬底N区N区SGDBN型硅衬底P区P区SGDB源极漏极栅极衬底引线浓度低浓度高SiO2绝缘层绝缘栅场效应管或NMOS场效应管绝缘栅场效应管或PMOS场效应管DBSG符号第8章8

6（二）工作原理以NMOS管为例1.增强型MOS场效应晶体管SGDP型硅衬底N区N区BDS之间加电压UDS，N漏区和N漏区与P型衬底之间形成的两个PN结总有一个因反向偏值而截止。ID

0UDSIDGS之间加正向电压UGS，UGS

UGS（th）时，形成不能导电的耗尽层。耗尽层反型层当UGS

UGS（th）时，形成了反型层，成为DS之间的导电沟道。UGS（th）称为开启电压。UGS当UGS

UGS（th），UDS0时，产生IDNMOS导电沟道的形成第8章8

6（二）工作原理以NMOS管为例1.增强型MOS场效应晶体管P型硅衬底N区N区SGDBUDSID耗尽层反型层

改变UGS，就能改变导电沟道的厚薄和形状，从而实现对漏极电流ID的控制。场效应管是由UGS控制ID，故为电压控制元件。UGSNMOS管导通状态其控制能力可通过跨导来表示：gm=

ID

UGSUDS=常数单位：西门子第8章8

6（二）工作原理2.耗尽型MOS场效应晶体管制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。P型硅衬底N区N区SGDB正离子SiO2耗尽层反型层UGS=0形成导电沟道UGS

0导电沟道变厚UGS

0导电沟道变薄UGS=UGS（off）（夹断电压）导电沟道消失当UGS

UGS（off），UDS

0产生ID，改变UGS导电沟道厚度，实现对ID的控制。第8章8

6（三）特性曲线1

.转移特性ID=f（UGS）UDS=常数增强型NMOS场效应晶体管2

.漏极特性ID=f（UDS）UGS=常数UGS=+UDSID0UGS=+UGS=+UGS（th）UGSID0第8章8

6（三）特性曲线1

.转移特性ID=f（UGS）UDS=常数耗尽型NMOS场效应晶体管2

.漏极特性ID=f（UDS）UGS=常数UGS=0UDSID0UGS=+UGS=

UGS（off）UGSID0第8章8

6（四）VMOS功率场效应晶体管NNPPN型硅外延层N型硅衬底DGS氧化层第8章8

6集成电路：采用微电子技术将二极管、晶体管、场效应晶体管、电阻、电容等元件和导线组成的电路集合在一小块半导体晶片上，封装上外壳，向外引出管脚，构成一个完整的、具有一定功能的电路。8.7集成电路

小规模集成电路（SSI）：每块晶片上不超过100个元、器件。中规模集成电路（MSI）：每块晶片上元、器件个数在

100~1000个左右。大规模集成电路（LSI）：每块晶片上元、器件个数在

1000~10000个左右。第8章8

78.7集成电路

超大规模集成电路（VLSI）：每块晶片上元、器件个数在10000个以上。集成电路分为模拟集成电路和数字集成电路集成电路在制造工艺方面的特点：（1）易做到电气特性对称，温度特性一致（2）集成电路高阻值常采用恒流源电路代替（3）集成电路的级间常采用直接耦合的方式第8章8

7晶闸管又称可控硅（SCR），是一种大功率的半导体器件。分类：有普通型、双向型和可关断型。它的出现，使半导体器件进入强电领域。优点：体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便，寿命长等；缺点：过载能力差，抗干扰能力差、控制比较复杂。8.8

晶闸管第8章8

8（一）普通晶闸管AGKAKGJ1J2J3PNPN阳极阴极控制极符号1.晶闸管的结构和符号其内部结构为：四层半导体，三个

PN结。文字符号为T。T8.8

晶闸管第8章8

82.晶闸管的工作原理PNPNKGAA(PNP)KGT2T1APNPNPNKGiAiB2iGiC2(NPN)iB1iK(1)晶闸管截止时，若uA>0,uG

0,因下面两个PN结反偏晶闸管仍截止。AGiAKT2T1RLEAiGiB2iC2iB1iKuG

0第8章8

8KGT2T1ARLEAEGiGβ1iGβ1β2iG(2)晶闸管截止时，若uA>0,uG>

0iG=iB1iB2=iC1=

1iB1T1、T2均导通，开始时iC2=

2iB2=

1

2iB1=

1

2iGiC2又流入T1

基极，再次放大，形成正反馈，很快使两个管子达到饱和导通，从而使晶闸管完全导通。该过程称为触发导通。两个条件必须同时满足2.晶闸管的工作原理iB1iB2第8章8

8晶闸管仍靠正反馈维持导通，并成为不可控。因此控制极失去了控制作用KGT2T1ARLEGiGEA2.晶闸管的工作原理(3)晶闸管导通时，若uA>0,即使去掉触发电压UG,因iB1=iC2+

iG大大于iG(4)晶闸管导通时，若uA

0,或iA小于iH（维持电流）晶闸管由导通变为截止。β1iGβ1β2iGiB1iB2第8章8

83.

晶闸管的伏安特性曲线CBAIHOIU导通IG=0IG1IG2阻断UBRIRIG增加UBO反向特性正向特性

正向转折电压反向转折电压

触发电流维持电流GiAKT2T1ARLEGiGiB2iC2iB1iKEA指晶闸管阳极与阴极电压和阳极电流及控制电流之间的关系曲线反向漏电流第8章8

8当UA增大到某一数值时，晶闸管有阻断状态突然导通，所以对应的电压UBO称为正向转折电压。晶闸管导通后，有较大电流通过，但管压降只有1V左右。当控制极断开（IG=0）时，维持晶闸管导通的最小电流称为维持电流IH4.

晶闸管的主要参数（2）反向重复峰值电压URRM（1）正向重复峰值电压UDRM控制极开路时，允许重复作用在晶闸管阳极上的最大正向电压。UDRM=80%UBO控制极开路时，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。URRM=80%UBR（3）额定正向平均电流IF在规定环境温度和标准散热条件下，允许连续通过工频正弦半波电流在一个周期内的平均值（1--1000A）。（4）维持电流IH控制极开路和规定环境温度下，维持晶闸管导通的最小电流。（5）触发电压UG和电流IG在室温和U=6V的直流电压条件下，使晶闸管从关断至完全导通所需的最小控制极直流电压和电流。一般UG为1--5V，IG几十到几百毫安。第8章8

8单相半控桥式整流电路uGtouOuGRLuG

—

触发电压uO—输出电压5.

可控整流电路—

触发