第1章--半导体器件及其特性.ppt

1、第1章 数字逻辑基础,1.1 普通二极管,1.1.1 PN结, 半导体的导电特性, 掺杂特性。, 热敏和光敏特性。, 数字信号, N型半导体, P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。,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, 数字电路的特点,图1-2 PN结的形成 a) 载流子的扩散运动 b) 平衡状态下的PN结, 形成过程和原理：, 扩散。, 形成空间电荷区和内电场。, 内电场阻止扩散运动，促进漂移运动。, PN结内电场

2、电位差：硅材料约0.5 0.7V，锗材料 约0.2 0.3V。, PN结单向导电性, 加正向电压导通。, 加反向电压截止。,图1-3 外加电压时的PN结 a) 正偏 b) 反偏,1.1.2 二极管, 正向特性, 二极管的伏安特性, 死区段。, 导通段。, 反向特性, 饱和段。, 击穿段。,图1-5 PN结伏安特性, 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）。, 硅二极管与锗二极管伏安特性的区别, 硅管的死区电压比锗管大，硅管导通正向压降比锗大。, 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, 温度对二极管伏安特

3、性的影响, 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22.5mV。, 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。,图1-7 温度对伏安特性的影响, 二极管的主要特性参数, 最大整流电流IF, 最高反向工作电压URM, 反向电流IR和反向饱和电流IS, 最高工作频率fM, 理想二极管, 理想二极管模型, 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,【例1-2】已知电路如图1-10a、b所示，VD为理想二极管，E=5V，ui=10Sin

4、t（V），试分别画出输出电压uO波形。,图1-10 例1-2电路,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=10Sint（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,（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 = -5V,VD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、

5、uO波形,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。,1.2 特殊二极管,1.2.1 稳压二极管, 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, 稳压工作条件, 电压极性反偏；, 有合适的工作电流。, 主要特性参数, 稳定电压UZ。, 稳定电流IZ。, 最大耗散功率PZM和最大工作电流IZM。, 动态电阻rZ。,稳压管的质

6、量参数，rZ越小，稳压管稳压特性越好。, 电压温度系数Z,1.2.2 发光二极管,正向压降大多在1.5V2V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,1.3 双极型三极管,1.3.1 三极管慨述, 基本结构和符号,图1-18 NPN型三极管的结构和符号 a) 结构示意图 b) 符号,图1-19 PNP型三极管的结构和符号 a) 结构示意图 b) 符号, 分类, 按极性分：NPN型和PNP型；, 按半导体材料分：硅三极管和锗三极管；, 按用途分：放大管、开关管、功率管等；, 按工作频率分：低频管和

7、高频管；, 按功率大小分：小功率管和大功率管；, 电流放大原理, 三极管内部载流子的传输过程,图1-20 NPN型三极管中载流子运动及各电极电流, 电流分配关系, 电流放大功能,也可写成：,1.3.2 三极管的特性曲线和主要参数, 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, 共发射极特性曲线, 输入特性曲线,1）定义：,2）特点：, 是一族曲线，uCEV的那一条可以作为代表。, 与二极管正向伏安特性曲线相似。, 放大工作状态时，硅管uBE约为0.60.7V， 锗管约0.20.3V。,图1-22 NPN型三极管共发射极电路输入特性曲

8、线, 输出特性曲线,1）定义：,2）特点：, 是一族曲线，对应于每一iB都有一条输出特性曲线。, 当uCE1V后，曲线比较平坦，即iC不随uCE增大而增大。, 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1-22 NPN型三极管 共发射极电路输出特性曲线, 三极管共射电路工作状态,图1-23 三极管3个工作区域, 放大区,条件：发射结正偏，集电结反偏。,特点：iCiB，iC与iB成正比关系。, 截止区,条件：发射结反偏，集电结反偏。,特点：iB0，iCICEO0, 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

9、，iC很少增大或不再增大，达到饱和，失去放大作用。, 击穿区,击穿区不是三极管的工作区域。, 三极管的主要参数, 电流放大系数,ICEO与ICBO的关系：,图1-24 三极管极间反向电流 a) ICBO b) ICEO, 集电极最大允许电流ICM, 集电极最大允许耗散功率PCM, 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO, 饱和压降UCES, 特征频率fT,图1-25 ICEO、U(BR)CEO和UCES,图1-26 三极管PCM曲线, 三极管安全工作区,图1-27 三极管安全工作区,【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PN

10、P型？并确定其E、B、C三极。,U1=5.2V，U2=5.4V，U3=1.4V；, U1= -2V，U2= -4.5V，U3= -5.2V。,解： PNP型锗管，U1 、U2 、U3引脚分别对应B、E、C极；, NPN型硅管，U1 、U2 、U3引脚分别对应C、B、E极。,分析此类题目的步骤是：, 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0.60.7V，锗管约0.20.3V。据此，可寻找电压差值为该两个数据的引脚。若为0.60.7V，则该管为硅管；若为0.20.3V，则该管为锗管，且该两引脚为B极或E极，另一引脚为C极。,题中U1 U2、题中U2 U3符合此条件，因此

11、可确定：题为锗管，U3引脚对应C极；题为硅管，U1引脚对应C极。, 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。,题中U3低于U1 U2，为PNP型；题中U1高于U2U3，为NPN型。, 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UCUBUE；PNP型各极电压高低排列次序为UCUBUE。,题中U1为B极，U2为E极；题中U2为B极，U3为E极。,【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

12、，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。,分析此类题目的判据和步骤是：, 判发射结是否正常正偏。,凡满足NPN硅管UBE=0.60.7V，PNP硅管UBE= -0.6-0.7V；NPN锗管UBE=0.20.3V，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）

13、、d）、e）、h）不满足条件。, 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UCUE，PNP管UCUE，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。, 若发射结反偏，或UBE小于中数据，则三极管处于截止状态或损坏。,c）、e）、h）属于这一情况。, 若满足发射结正偏，但UBE过大，也属不正常情况，如d）。,1.4 场效应管,场效应管只有一种载流子（多数载流子）参与导电，称为单极型晶体管。, 分类

14、, 从结构上可分为结型和MOS型(绝缘栅型)。, 从半导体导电沟道类型上可分为P沟道和N沟道。, 从有无原始导电沟道上可分为耗尽型和增强型。, 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。, 特性曲线, 转移特性,1）定义：,2）特点：, 为一族曲线。|uDS|UGS(off)|后，曲线族基本重合。, 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)。, IDSS一般为场效应管最大电流。增强型MOS无IDSS参数。,3）数学表达式, 结型、耗尽型MOS：, 增强型MOS

15、：,图1-32 N沟道场效应管转移特性, 输出特性,1）定义：,图1-33 N沟道场效应管输出特性曲线 a) 结型 b) 耗尽型MOS c) 增强型MOS,2）特点：, 类似于三极管输出特性曲线。, N沟道结型、耗尽型NMOS最下面一条输出特性曲线(最靠近横轴)和P沟道结型、耗尽型PMOS最上面一条输出特性曲线的参数为：uGSUGS(off)。N沟道结型最上面一条(P沟道结型最下面一条)输出特性曲线的参数为：uGS0。, 场效应管三个工作区域,图1-34 场效应管3个工作区域划分, 场效应管主要参数, 夹断电压UGS(off) 或开启电压UGS(th), 饱和漏极电流IDSS, 低频垮导（互导）gm,gm反映了uGS对iD控制能力，单位西(门子)，用S表示(S=1/)。, 由于场效应管的漏极和源极结构对称，因此漏、源极可互换使用。, 场效应管与三极管性能比较, 输入电