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1、1,主要内容： 半导体材料。 三种管子二极管、三极管、场效应管。,模电第一章半导体器件基础,1.1半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体,本征半导体：纯净半导体，不掺杂。区别于杂质半导体。,半导体：导电能力介于导体（例铜、铁）和绝缘体（例橡胶、玻璃）之间的物质（例硅、锗）。,2,空穴等效为一种带正电荷的载流子（能够移动从而形成电流的粒子）。,3, 杂质半导体,掺杂特性：在纯净的半导体中掺入微量的某种其它元素，会使半导体的导电性能大大提高。这种掺入杂质的半导体就叫作杂质半导体。区别于本征半导体。,一、N型半导体,加入五价元素磷,自由电子数空穴数 故称N型半导体。（多子） （少子） (Negat

2、ive，负),4,二、P型半导体,空穴数自由电子数故称P型半导体。 （多子） （少子） (Positive，正),5,三、杂质半导体的导电性能,掺杂后，载流子浓度发生变化，与纯净半导体相比，多子数，少子数。以N型半导体为例：加入杂质原子电子空穴与电子复合机会空穴数。,浓度总和增加、浓度乘积不变。满足：np=nipi=ni2=pi2=常数,例：以十亿分之一（10-9）的比例在硅原子中加入磷原子。,结论：杂质半导体的导电能力。,注意：少子是本征激发产生的，热敏性强。 多子是掺杂产生的，受温度影响不大。,6, PN结,一、PN结的形成,由于浓度差，多子向对方 扩散，并与对方的少子复合。,交界处形成空

3、间电荷区，称为PN结。也称耗尽层。,7,因此在PN结中存在多子扩散和少子漂移两种运动。方向相反。 多子扩散PN结变宽，少子漂移PN结变窄。 开始浓度差大，内电场尚未形成，扩散强，随着内电场的增强，漂移越来越强，当两者达到平衡时，PN结宽度即确定下来。,内电场使少子向对方运动， 称为漂移（区别于扩散）。,8,二、PN结的单向导电性,1加正向电压（P正N负）VF时，导通,外电场与内电场方向相反，外电场削弱了内电场，PN结变窄，打破平衡，多子扩散增强，少子漂移减弱，（平衡时扩散电流和漂移电流大小相等，现在扩散漂移）形成正向电流IF 。,IF较大，因多子浓度高。且VFIF。 PN结导通。,9,2.加反

4、向电压（P负N正）VR时，截止,IR较小，因少子浓度低。且呈饱和性，VR到一定程度时，所有的少子都参加运动，VR再，IR也不再增加，此时IRIS常数。 PN结截止。,10,三、PN结的电流方程,式中，UTkT/q，称为电压温度当量，与温度成正比， T=300K时，UT26mV。 IS为反向饱和电流。,四、PN结的伏安特性,11,1.2 半导体二极管,PN结+管壳+引线 即构成二极管,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构特性,12,二极管的伏安特性,一、二极管伏安特性与PN结伏安特性的区别,思考：能否将1.5V电池直接加在二极管两端？,13,二、温度对二极管伏安特性的影响,温度增加，Uon减小

5、，Is增加。正向曲线左移，反向曲线下移。,14,二极管的等效电路（线性等效电路）,一、由伏安特性折线化得到的等效电路（直流等效电路）,理想二极管,1.正向导通时电压=0，反向截止时电流=0,2.正向导通时电压=Uon，反向截止时电流=0,3.正向导通时电压与电流成线性关系，反向截止时电流=0,15,判断二极管是导通还是截止（断开二极管，判断正极和负极电位高低），画出等效电路图，求解。,S断开时，,S闭合时，,解：,D导通,D截止，,16,稳压二极管,稳压管是一种特殊的二极管，主要作用是稳定电压。,一、稳压管的伏安特性,UZ为稳定电压,17,当UaUb时，D1截止， 由DZ，UZ，rd表现其反向

6、特性。,当UaUb时， DZ截止， 由D1表现其正向特性；,等效电路：,18,为保证电流合适，应加合适的限流电阻。,解：,由：,得：,稳压管正常工作的条件：反向击穿；IZminIIZmax。,19,1.3 双极型晶体管,三极管是由两个PN结构成的具有电流放大作用和开关作用的半导体器件。,1. 基区很薄 2. 发射区掺杂浓度基区掺杂浓度 3. 集电区尺寸发射区尺寸，集电区 掺杂浓度发射区掺杂浓度,NPN型,晶体管的结构及类型,结构特点：,20,PNP型,21,1.3.2 晶体管的电流放大作用,概念：1. 放大的对象是变化量。 2. 放大是指对能量的控制作用。,输入端输入一个小的变化量，控制能量使

7、输出端产生一个大的变化量，能量来自电源。,放大的含义：,22,基本共射放大电路,uI是输入的小信号，接在基极 发射极回路，称为输入回路；放大后的信号uO在集电极发射极回路，称为输出回路。,输入和输出回路以发射极为公共端，故称为共发射极电路。,23,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,一、输入特性曲线,开启电压与导通电压的概念同二极管,讨论各种偏置状态下，各极电流和电压的关系。,24,二、输出特性曲线,取IB=IB3，起始部分很陡， UCE1V后，较平坦。,原因：UCE较小时， UCE增加，集电区收集能力增强，使IC增强；UCE1V后，集电区收集能力足够大，IC不再增强。, IB取不同的值，可得到

8、一组曲线。,原因： 相同UCE下，IB增加， IC增 加，曲线上移。,25,从输出特性曲线看，晶体管有三个工作区域,26,晶体管的开关作用,开关断开,开关闭合,相当于,发射结反偏或零偏，集电结反偏,发射结正偏，集电结正偏,27,例1.3.1 测得电路中各晶体管各极的电位，且已知各管的Uon=0.5V，判断各管的工作状态。,放大,饱和,放大,截止,28,关于PNP型管子及其电路,在放大工作区时，要满足发射结正偏，集电结反偏的条件，VBB、VCC的极性应如图所示，与NPN型三极管相反。,电流实际方向如图所示。,电位高低如图所示。,29,归纳：发射结正偏，集电结反偏；放大,发射结正偏，集电结正偏；饱

9、和,发射结反偏，集电结反偏；截止,开启电压：硅管Uon=0.5V， 锗管Uon=0.1V。,放大：UBEUon， Vc Vb Ve ；,饱和：Vb Vc Ve ；,截止：UBEUon；,NPN型,PNP型,放大：UEBUon， Ve Vb Vc ；,饱和： Ve Vc Vb；,截止： UEB Uon；,30,例习题1.15 测得放大电路中晶体管的直流电位如图所示，画出管子，并说明它们是硅管还是锗管，是NPN型还是PNP型。,解：,先找出基极（基极电位处于中间），再找出发射极（与 基极电位相差0.7V或0.2V），剩下的即集电极。,NPN型管集电极电位最高，基极次之，发射极最低； PNP型管发射

10、极电位最高，基极次之，集电极最低。,硅管发射结电压为0.7V；锗管发射结电压为0.2V；,硅管,硅管,31,例习题1.19 判断图中晶体管是否有可能工作在放大状态。,发射结正偏且Uon，集电结反偏,发射结反偏，集电结零偏,有可能,无可能,解：,32,1.4 场效应管,场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。 其作用有放大、开关、可变电阻。,特点：输入电流很小，耗能小；输入电阻很大； 便于集成,33,1.4.1 结型场效应管,34,一、结型场效应管的工作原理,1. uDS=0，uGS对导电沟道的控制作用,结论： uGS变化，会引起导电沟道宽度的变化； 由于PN结反偏，故栅极电流为0。,

11、为使N沟道结型场效应管正常工作，应在其栅源之间加负向电压（即uGS0） ，以形成漏极电流iD。,35,二、结型场效应管的特性曲线,36,特点： uDS变化，iD基本不变； UGS 不同，iD不同；,恒流区,变阻区和恒流区的界限： uDS=uGS-UGS(off)，即 uGD=UGS(off)。,uDS,iD,-4V,O,-3V,-2V,-1V,UGS=0,可变 电阻区,夹断区,预夹断轨迹,恒 流 区,击 穿 区,uDS=uGS-UGS(off),37,38,由输出特性曲线，可得转移特性曲线。,UGS(off) uGS0， iD0，且uGS越负，iD越小。 在恒流区，uDS变化时，iD几乎不变，

12、故不同的UDS对应曲线 几乎重合，只画一条即可。 当uGSUGS(off)时，全夹断，iD=0。uGS=0对应的电流为IDSS,2. 转移特性曲线,恒流区iD 与uGS的关系曲线,39,1.4.2 绝缘栅场效应管(又称MOS管),一、N沟道增强型MOS管,40,（一）工作原理,41,42,当uDSuGD=UGS(th)时，d端反型层消失，沟道被夹断，称为预夹断（因S端未被夹断）；,43,（二）特性曲线与电流方程,输出特性曲线与结型类似，分为三个区。不同之处在于开启电压0。 转移特性曲线与结型形状类似，但在第一象限，因开启电压0。,输出特性曲线,转移特性曲线,IDO,44,二、N沟道耗尽型绝缘栅

13、场效应管,情况与增强型类似。不同的只是开启电压不同。 增强型UGS(th)0，耗尽型UGS(off)0。,uGSUGS(off)时，在ds间加正压，有电流iD产生。,45,三、P沟道场效应管,开启电压：结型场效应管， UGS(off)0；增强型MOS管UGS(th)0。,46,例：P沟道结型场效应管的特性曲线,特性曲线：在电流、电压参考方向一致的情况下， 将N沟道对应曲线旋转180度 即得。,47,同样可得增强型MOS管，耗尽型MOS管的特性曲线如图1.4.13。,48,49,解：,1. uI=0时，uGS=0VuGS(th)=4V，全夹断，iD=0，uO=15V,2. uI=8时，在恒流区，iD=1mA，uO=VDD-iDRD=15-15=10V,3. uI=10时， uGS=10V ，在恒流区，iD=2.2mA， uO=VDD-iDRD=15-2.25=4V ?,例：电路如图示，管子的输出特性曲线如图示，分析uI为0、8、 10V三种情况下uO分别为多少伏？,iD,50,但实际上，uGS=10V时对