电工电子学：第4章 常用半导体器件

1目录目录第第 4 章章 常用半导体器件常用半导体器件2目录目录 第第4 4章章 常用半导体器件常用半导体器件 第第5 5章章 基本放大电路基本放大电路 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 第第7 7章章 直流稳压电源直流稳压电源模模 块块 2 模拟电子技术模拟电子技术3目录目录第第4 4章章 常用半导体器件常用半导体器件4.1 PN1 PN结和半导体二极管结和半导体二极管4.2 2 特殊二极管特殊二极管4.3 半导体三极管半导体三极管4.4 绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管4目录目录第第4 4章章 常用半导体器件常用半导体器件5目录目录4.1 PN结和二极管结和二极管 4.1.1.半导体的导电特性半导体的导电特性1.概念概念半导体半导体导电能力介乎于导体和绝缘体之间导电能力介乎于导体和绝缘体之间。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。影响半导体导电能力的因素影响半导体导电能力的因素光照光照导电能力导电能力如：光敏元件如：光敏元件温度温度导电能力导电能力 如：热敏元件如：热敏元件掺杂掺杂纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，会使半导体的导电能力明显改变。会使半导体的导电能力明显改变。掺杂掺杂导电能力导电能力 如：如：P P型、型、N N型半导体。型半导体。6目录目录 常用的半导体材料常用的半导体材料锗锗 Ge硅硅 Si硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子32142-8-18-42-8-42.2.本征半导体本征半导体纯净的、具有晶体结构的半导体纯净的、具有晶体结构的半导体sisisisi最外层最外层八个电八个电子的稳子的稳定结构定结构共价键内的共价键内的价电子对价电子对共价键共价键共价键结构稳定共价键结构稳定导电能力很弱导电能力很弱SiGe价电子价电子7目录目录 本征激发本征激发（热激发）热激发）sisisisi空空穴穴自自由由电电子子自由电子自由电子本征激发成对产生本征激发成对产生空穴空穴 两种载流子两种载流子 半导体中有自由电子半导体中有自由电子和空穴两种载流子和空穴两种载流子本征半导体两端外加电压时，将出现本征半导体两端外加电压时，将出现两部分电流，两部分电流，电子流电子流和和空穴流空穴流。复合复合复合使自由电子和空穴成对减少复合使自由电子和空穴成对减少 在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。半导体中的载流子数目一定。半导体中的载流子数目一定。温度升高、光照增强使价电子温度升高、光照增强使价电子摆脱原子核的束缚摆脱原子核的束缚自由电子与空穴相遇自由电子与空穴相遇8目录目录多余电子多余电子3.3.杂质半导体杂质半导体 N型半导体（电子半导体）型半导体（电子半导体）本征半导体中掺入微量的五价元素本征半导体中掺入微量的五价元素磷磷特点：特点：多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴N 型半导体型半导体+示意图示意图P+sisisi硅晶体中掺磷出现自由电子硅晶体中掺磷出现自由电子磷磷 P152-8-5p9目录目录P型半导体型半导体示意图示意图空穴空穴 P型半导体（空穴半导体）型半导体（空穴半导体）特点：特点：多数载流子多数载流子空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子本征半导体中掺入微量的三价元素本征半导体中掺入微量的三价元素硼硼B-sisisi硅晶体中掺硼出现空穴硅晶体中掺硼出现空穴多数载流子数目由掺杂浓度确定多数载流子数目由掺杂浓度确定少数载流子数目与温度有关少数载流子数目与温度有关.温度温度少子少子结论：结论：52-3硼硼 BB10目录目录4.1.2 PN结结 同一片半导体基片上，分别制造同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半导型半导体，在它们的交界面处形成的特殊区域。体，在它们的交界面处形成的特殊区域。1.PN结结2.PN结的形成结的形成PNPN结结P区和区和N区的载区的载流子浓度不同流子浓度不同由载流子的浓度差由载流子的浓度差多子扩散多子扩散 P+NN区区P区区P区区N区区电子电子空穴空穴正负离子显电性正负离子显电性建立空间电荷区建立空间电荷区形成内电场形成内电场i P+N+-i自建电场自建电场11目录目录内电场内电场i反对多子扩散反对多子扩散有利少子漂移有利少子漂移扩散扩散=漂移漂移动平衡动平衡空间电荷区宽度确定空间电荷区宽度确定PN结形成结形成PN结结空间电荷区空间电荷区PN结也称为高阻区、耗尽层结也称为高阻区、耗尽层P+NPN结结+-i自建电场自建电场12目录目录3.3.PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结正向导通结正向导通现象：现象：灯亮、灯亮、电流大（电流大（mA级）级）原因：原因：，使，使PN结变窄，由多数载流子结变窄，由多数载流子形成较大的正向电流。形成较大的正向电流。oi 结论：结论：PN结正向导通，正向电流大、正向电阻小。结正向导通，正向电流大、正向电阻小。PN结变窄结变窄-PNEmA+-+-o i+I13目录目录 PN结反向截止结反向截止现象：现象：灯不亮、灯不亮、电流很小（电流很小（A级）级）原因：原因：、方向一致，使方向一致，使PN结变宽，由少数结变宽，由少数载流子形成很小的反向电流。载流子形成很小的反向电流。o i 结论：结论：PN结反结反 向截止，反向电流小、反向电阻大。向截止，反向电流小、反向电阻大。PN结变宽结变宽-+PNE-+-o i A0 反反I0 反反I 反反R14目录目录4.1.3 半导体二极管半导体二极管1.基本结构及符号基本结构及符号点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。如：检波电路、数字开关电路如：检波电路、数字开关电路面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路 如：整流电路如：整流电路D阴极阴极 阴极阴极 阴极阴极 阴极阴极阳极阳极 阳极阳极 阳极阳极 阳极阳极点接触型点接触型面接触型面接触型外外 形形符符 号号15目录目录半导体二极管图片半导体二极管图片16目录目录半导体二极管图片半导体二极管图片17目录目录2.伏安特性伏安特性UBR 反向击穿电压反向击穿电压 正向特性正向特性死区电压死区电压 =0 0.2V.2V（锗管）（锗管）0.5V0.5V（硅管）（硅管）UD=0.20.3V （锗管）（锗管）0.60.7V （硅管）（硅管）导通后管压降：导通后管压降：反向特性反向特性，二二极极管管反反向向截截止止时时，反反反反0BR IUU击击穿穿急急剧剧增增加加，二二极极管管反反向向时时，反反反反IUUBR UIo死区死区+-+UBRUD18目录目录UIoUBRUDC20ID 温度对二极管的影响温度对二极管的影响 温度升高二极管温度升高二极管 正向压降减小正向压降减小温度温度载流子载流子导电能力导电能力等效电阻等效电阻正向压降正向压降UD C1T mV2D U温度升高二极管反向电流增大温度升高二极管反向电流增大温度温度少数载流子少数载流子反向电流反向电流温度每升高温度每升高10 C。反向电流增大一倍。反向电流增大一倍。C75DU19目录目录理想二极管的开关特性理想二极管的开关特性正向导通正向导通反向截止反向截止+-0D U0D U开关闭合开关闭合+-0D I0D I开关断开开关断开例例由理想二极管组成的电路如图所示，求电压由理想二极管组成的电路如图所示，求电压UAB。(a)3K6VD12VAB解：图解：图(a)+-D 正正向导通，向导通，UD=0电压电压UAB=-6V20目录目录12V3KD1(b)BD26VA(c)B12VD2D13K6VA3V解：图解：图(b)D1 导通，导通，UD1=0，D2 截止截止电压电压UAB=0V解：图解：图(c)D1 优先优先导通，导通，UD1=0，电压电压UAB=-3V-6V-3V，D2 截止截止21目录目录3.主要参数主要参数（1）最大整流电流）最大整流电流 IDM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（点接触型平均电流。（点接触型 UB，DA先导通，先导通，DA起起箝位作用，使箝位作用，使UF=3V。FAB-12V-12V0V+3VDARDBUB UF，DB截止，截止，将将UB与与UF隔离隔离DA、DB，为理想二极管为理想二极管 4.二极管的二极管的箝箝位和位和隔离隔离应用应用例例电路中，输入端电路中，输入端 UA=+3V，UB=0V，试求输出端试求输出端F的电位的电位UF。解：解：26目录目录5.二极管门电路二极管门电路 F=AB 二极管与门二极管与门 分析分析规定规定高电平高电平3V逻辑逻辑“1”低电平低电平0V逻辑逻辑“0”真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式逻辑符号逻辑符号FABFD1D2AB+12VR27目录目录FD1D2AB-12VRF=A+B 二极管或门二极管或门 分析分析规定规定高电平高电平3V逻辑逻辑“1”低电平低电平0V逻辑逻辑“0”真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式逻辑符号逻辑符号FAB128目录目录4.2 特殊二极管特殊二极管1.1.结构和符号结构和符号4.2.1 稳压二极管稳压二极管UIUZminIZminIZmax UZ IZoaUZmaxb-+DZ符号符号面接触型硅二极管面接触型硅二极管2.伏安特性伏安特性正向特性与普通硅二极管相同正向特性与普通硅二极管相同 未击穿区（未击穿区（o a段）段）I0，反向截止，反向截止 击穿区（稳压区击穿区（稳压区 a b段）段）特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用动态电阻：动态电阻：ZZZIUr 动态电阻愈小稳压效果愈好动态电阻愈小稳压效果愈好 热击穿区（热击穿区（b 点以下线段）点以下线段）maxZZII 过热烧坏过热烧坏PN结结29目录目录3.稳压二极管的参数稳压二极管的参数（3）电压温度系数）电压温度系数 U（1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管的稳压值稳压管的稳压值（2）动态电阻）动态电阻 越小，稳压越好越小，稳压越好；ZZZIUr Zr 温度变化温度变化1 C，稳压值变化的百分数。，稳压值变化的百分数。0V6V40V40V6 UZUZUZUUU，；，；，（4）稳定电流）稳定电流IZ、最大稳定电流、最大稳定电流Izmax使用时稳压管的电流要大于使用时稳压管的电流要大于IZ，小于最大稳定电流，小于最大稳定电流Izmax（5）最大允许功耗）最大允许功耗PZM稳压管不发生热击穿的最大功率损耗稳压管不发生热击穿的最大功率损耗maxZZZMIUP 30目录目录 图示电路中，图示电路中，DZ1的的UZ1=8.5V，DZ2的的UZ2=5.5V，正向压降均为正向压降均为UD=0.5V，试求图中输出电压，试求图中输出电压Uo。（a）UODZ1DZ2R 20VR（b）UODZ1DZ220V（c）20VUODZ1 DZ2R（d）20VUODZ1 DZ2R例例解：解：+-+-+-+-+-+-+-+-V95.05.81 DZoUUUV145.55.821 ZZoUUUV5.52 ZoUUV5.0D UUo31目录目录例例 图示电路中，图示电路中，DZ的的UZ=10V，IZmax=8mA，试求电流试求电流IZ，是否超过，是否超过IZmax?如果超过，怎么办如果超过，怎么办?（已知：（已知：），1100900V2021RREDZE+-R1IZR2I1I2UZ解：解：mA1.1190010201Z1 RUEImA1.91100102Z2 RUIZmax21ZmA21.91.11IIII 如果超过，应该增大如果超过，应该增大R1 或减小或减小R2 32目录目录作业：作业：4-2、4-3、4-5、4-9 33目录目录1.符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E=200 lxE=400 lx工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置2.主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片实物照片4.2.2.光电二极管光电二极管34目录目录4.2.3 发光二极管发光二极管 当管子接正向电压当管子接正向电压,有电流通过时有电流通过时,会发出光线。会发出光线。不同半导体材料的二极管发出的光线的颜色不同。不同半导体材料的二极管发出的光线的颜色不同。发光二极管用于信号指示发光二极管用于信号指示、数码管显示器。、数码管显示器。发光二极管是一种将电能转发光二极管是一种将电能转换成光能的显示器件换成光能的显示器件。发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为压为0.91.1V，其正向工作电压为，其正向工作电压为1.52.5V,工作电流为工作电流为515mA。反向击穿电压较低，一般小于。反向击穿电压较低，一般小于10V。符号符号+-磷砷化镓（磷砷化镓（GaAsP）材料发红光或黄光，磷化镓）材料发红光或黄光，磷化镓（GaP）材料发红光或绿光，氮化镓（）材料发红光或绿光，氮化镓（GaN）材料发）材料发蓝光，碳化硅（蓝光，碳化硅（SiC）材料发黄光，砷化镓（）材料发黄光，砷化镓（GaAs）材料发不可见的红外线。材料发不可见的红外线。35目录目录36目录目录4.3 半导体三极管半导体三极管4.3.1 三极管结构及其放大作用三极管结构及其放大作用B基极基极E发射极发射极C集电极集电极NPN型型PNP型型1.结构及类型结构及类型NNP发射结发射结集电结集电结BECIBIEICTBECIBIEICTB基极基极E发射极发射极C集电极集电极PPN37目录目录半导体半导体三三极管图片极管图片38目录目录BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：基区：掺杂浓度最低掺杂浓度最低并且很薄并且很薄集电区：集电区：掺杂浓度较低掺杂浓度较低发射区：发射区：掺杂浓度最高掺杂浓度最高2.2.晶体管的电流分配关系和放大作用晶体管的电流分配关系和放大作用 晶体管的电流放大的条件晶体管的电流放大的条件 内部条件内部条件 三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。39目录目录外部条件外部条件 发射结加上正向电压，集电结加上反向电压发射结加上正向电压，集电结加上反向电压 NNPBEC+BECT+UBE UBC即：即：NPN型型0,0BCBE UUEBCUUU 或或PPNBEC+BECT+UBE UBC PNP型为：型为：0,0BCBE UUCBEUUU 或或40目录目录 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系 mA AmAIETRBIBECEBICRC+共发射极放大实验电路共发射极放大实验电路IB(A)0 20 40 60 80 100IC(mA)0.005 0.99 2.08 3.17 4.26 5.40IE(mA)0.005 1.01 2.12 3.23 4.34 5.50晶体管电流测试数据晶体管电流测试数据 41目录目录IC、IEIB，IC与与IB之比称为直流之比称为直流(静态静态)电流放大系数电流放大系数由由KCL得：得：IE=IC+IB结论：结论：，5204.008.2BC II8.5206.017.3BC IIIC、IEIB，IC与与 IB之比称为之比称为 交流交流(动态动态)电流放大倍数电流放大倍数5.5402.009.104.006.008.217.33B4B3C4CBC IIIIII；BCII BE1II）（；CE1II 42目录目录IC电子在基区与空穴复电子在基区与空穴复合，形成电流合，形成电流IB，复，复合机会小，合机会小，IB小小IBIE发射结正偏，发射结正偏，发射区向基发射区向基区发射区发射(扩扩散散)电子，电子，形成发射极形成发射极电流电流IE3.放大原理放大原理BENNPEBRBEC+-+-+发射到基区发射到基区电子被收集电子被收集和复合的比和复合的比例系数就是例系数就是电流放大系电流放大系数数集电结反偏，扩散到基区的电集电结反偏，扩散到基区的电子被收集子被收集(漂移漂移)到集电区形成到集电区形成IC，收集能力强，收集能力强，IC大大C43目录目录4.3.2 特性曲线及主要参数特性曲线及主要参数ICmA AV1V2UCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路输入回路输入回路输入特性输入特性 IB=f（UBE）|UCE输出回路输出回路输出特性输出特性 IC=f（UCE）|IB44目录目录 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V，锗管锗管0.2V。令令UCE=常数常数IB=f（UBE）1.输入特性输入特性工作压降：工作压降：UBE 0.60.7V,硅管硅管UBE 0.20.3V 锗管锗管IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V045目录目录2.输出特性输出特性1234IC(mA )UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A0 放大区放大区BCII 特特征征：电电结结反反偏偏条条件件：发发射射结结正正偏偏、集集EBCUUU 当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC=IB。此区域满足此区域满足IC=IB称为称为线性区（放线性区（放大区）。大区）。46目录目录此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEUB UE，PNP型管：型管：UCUBUz Uy,，所以，所以x为集电极，为集电极，y为发射极，为发射极，z为基极，管子为为基极，管子为NPN型。型。图（图（b）：）：x与与y的电压为的电压为0.3V，为锗管，因，为锗管，因UzUyICS，所以管子工作在饱和区，所以管子工作在饱和区。mA8.3106.130mA06.153.557.06BCB IIImA7.93.010110CESCS UI临临界界饱饱和和电电流流：58目录目录+10V 1k IC-2V 5k IB+10V 1 k IC+2V 5kIB(c)(b)（2）因为基极偏置电源）因为基极偏置电源-2V小于管小于管子的导通电压，管子的发射结反偏，子的导通电压，管子的发射结反偏，管子截止，所以管子工作在截止区。管子截止，所以管子工作在截止区。（3）因为基极偏置电源）因为基极偏置电源+2V大于管大于管子的导通电压，故管子的发射结正子的导通电压，故管子的发射结正偏偏,管子导通，电流管子导通，电流:mA7.93.010110mA8.726.030mA26.053.057.02CESCSBCB UIIII因为因为I IC C 0 感应出电子，出现以感应出电子，出现以电子导电的电子导电的N型导电沟道型导电沟道 工作原理工作原理 UDSUGSPN+N+GSDUGS=0时时ID=0UGSUTID0当当UGS=0时时,UDS0，但但ID=0。UDS一定，一定，UGS值越值越大，电场作用越强，大，电场作用越强，导电的沟道越宽，导电的沟道越宽，沟道电阻越小，沟道电阻越小，ID就越大。就越大。开启电压开启电压UT (UGS(th)当当UGSUT,UDS0时时,UGS ID。SD64目录目录 输出特性输出特性 I D(mA)区区 区区 区区UGS=5V4.5V4V3.5V3V2.5V(UT)0 2 4 6 8 UDS(V)25413常数常数 GS)(DSDUUfI恒流区（恒流区（区）：区）：UGSUT，UDS较大时，较大时，UGS一定，则一定，则ID不变（不变（恒流恒流）。用跨导）。用跨导gm来表示来表示UGS对对ID的控制作用。的控制作用。可变电阻区（可变电阻区（区）：区）：UGSUT，UDS很小很小场效应管相当于一个压控电阻场效应管相当于一个压控电阻 UGD=UGSVDSUT 时时常常数数 DSGSDUmUIg截止区：截止区：UGSUT 电流电流ID=0管子处于截止状态。管子处于截止状态。击穿区（击穿区（区）区）:当当UDS太大时，太大时，PN结反向击穿，结反向击穿，使使ID急剧增加，会造成管子损坏。急剧增加，会造成管子损坏。65目录目录12ID(mA)4UT0 2 4 6 8 UGS(V)826UDS=常数常数 转移转移特性特性 常常数数 DS)(GSDUUfI2TGSDSSD1）（UUII 其中其中IDSS是是UGS=2UT 时的时的ID值值 2.沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管 GSD耗尽耗尽型型NMOS管管栅极栅极 漏极漏极 源极源极 b衬底衬底GSPN+N+D预埋了导电沟道预埋了导电沟道 66目录目录I D(mA)3V2V1VUGS=0V-1V-2V0 4 8 12 14 UDS(V)410 826区区区区区区-4 -2 0 2 4 UGS(V)ID(mA)4UP826UDS=常数常数 耗尽型耗尽型NMOS管输出特性管输出特性耗尽型耗尽型NMOS管转移特性管转移特性UP(UGS(off)夹断电压夹断电压 UGS=UP(UGS(off)时，导电沟道消失，时，导电沟道消失，ID0 UGS沟道沟道加宽加宽ID，UGS沟道变窄沟道变窄ID67目录目录1.场效应管的特点场效应管的特点 （1）在场效应管中，沟道是唯一的导电通道，导）在场效应管中，沟道是唯一的导电通道，导电过程只有一种极性的多数载流子，为电过程只有一种极性的多数载流子，为单极型管单极型管；（2）场效应管是通过栅源）场效应管是通过栅源UGS电压来控制电流电压来控制电流ID，为为压控元件压控元件；（3）场效应管）场效应管输入电阻大输入电阻大，输出电阻输出电阻；（4）场效应管的跨导）场效应管的跨导gm的值小；的值小；（5）漏源极可互换使用；）漏源极可互换使用；（6）有较高的热稳定性。）有较高的热稳定性。4.4.2 场效应管的特点和主要参数场效应管的特点和主要参数 68目录目录2.场效应管的主要参数场效应管的主要参数 直流参数直流参数输入电阻输入电阻RGS 耗尽型耗尽型MOS管的夹断电压管的夹断电压UP(UGS(off)，增强型增强型MOS管的开启电压管的开启电压UT(UGS(th)，漏极饱和电流漏极饱和电流IDSS。69目录目录 极限参数极限参数 最大漏极电流最大漏极电流IDM、最大耗散功率、最大耗散功率PDM、漏源击、漏源击穿电压穿电压U（BR）DS。栅、源击穿电压。栅、源击穿电压U（BR）GS。极间电容极间电容：Cgs和和Cgd为为13pF，Cds约为约为0.11pF。极。极间电容的存在决定了管子的最高工作频率和工作速度间电容的存在决定了管子的最高工作频率和工作速度 单位：单位：mS 交流参数交流参数低频跨导低频跨导gm：当当UDS=常数，常数，常常数数 DSGSDmUdudig70目录目录20020 ms51mg4210101471010对应电极对应电极 BEC GSD71目录目录4.4.3 场效应管的应用（开关作用）场效应管的应用（开关作用）+EDUIRDTUOUI+EDRDTUO输入输入UI=0 时：时：+EDRDTUOUGSUT，处于截止状态。处于截止状态。输出输出UO=EDUO+EDRDRON输入输入UI=ED 时：时：UGSUT，处于导通状态。处于导通状态。导通电阻为导通电阻为RON，且，且RD RON0DONDONO ERRRU72目录目录第第 4 章章结束结束