第二章半导体器件基础课件

*本章要求本章要求：一、理解一、理解PNPN结的单向导电性结的单向导电性，三极管的电流分配和，三极管的电流分配和电流放大作用；电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工工作原理作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会三、会分析含有二极管的电路分析含有二极管的电路。*2.1 2.1 半导体基本知识半导体基本知识 物物体体（导导电电能能力力不不同同）导体：导体：107m半导体半导体（Si和和Ge）:10-5 m T1VD2VD1图图2.11 2.11 温度对二极管伏安特性曲线的影响温度对二极管伏安特性曲线的影响*五五、晶体二极管的应用晶体二极管的应用 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止否则，正向管压降否则，正向管压降否则，正向管压降否则，正向管压降硅硅硅硅0 0 0 0.60.7V.60.7V锗锗锗锗0 0.2.20.3V0.3V 分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压位的高低或所加电压V VD D的正负。的正负。若若 V V阳阳VV阴阴或或 V VD D为正为正(正向偏置正向偏置)，二极管导通，二极管导通若若 V V阳阳VVV阴阴 二极管导通二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，V VABAB=6V6V否则，否则，V VABAB低于低于6V6V一个管压降，为一个管压降，为6.26.2或或6.7V6.7V例例2：取取B B点作参考点，断点作参考点，断开二极管，分析二极管开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。阳极和阴极的电位。D6V12V3k BAVAB+*复复 习习1.1.什么是什么是PNPN结的单向导电性结的单向导电性?2.PN2.PN结正偏和反偏时外加电压分别是怎样的结正偏和反偏时外加电压分别是怎样的?3.3.二极管什么情况下导通二极管什么情况下导通?4.4.分析含有二极管的电路的步骤分析含有二极管的电路的步骤?*两个二极管的阴极接在两个二极管的阴极接在一起取一起取B B点作参考点，断开点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。和阴极的电位。V V1 1阳阳阳阳 =6 V6 V，V V2 2阳阳阳阳=0 V=0 V，V V1 1阴阴阴阴 =V V2 2阴阴阴阴=12 V12 VV VD1D1=6V=6V，V VD2D2=12V=12V V VD2D2 V VD1D1 D D2 2 优先导通，优先导通，D D1 1截止。截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，V VABAB=0V=0V例例3:D D1 1承受反向电压为承受反向电压为6V6V求：求：求：求：V VABABBD16V12V3k AD2VAB+*vi i8V8V，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路，vo o=8V=8Vvi i8V8V，二极管截止，可看作开路，二极管截止，可看作开路，vo o=vi i已知：已知：二极管是理想的，试二极管是理想的，试画出画出vo o波形。波形。8V8V例例例例4 4：二极管的用途：二极管的用途：整流、检波、限整流、检波、限幅、钳位、开关、幅、钳位、开关、元件保护、元件保护、温度补偿等。温度补偿等。v vi i18V18V二极管阴极电位为二极管阴极电位为8V8V参考点参考点D D8V8VR Rv vo ov vi i+vi=18sinwtV*1.1.符号符号 2.2.伏安特性伏安特性 稳压管正常工稳压管正常工作时加反向电压作时加反向电压使用时要加限流电阻使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿稳压管反向击穿后，电流变化很大，后，电流变化很大，但其两端电压变化很但其两端电压变化很小，利用此特性，稳小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压管在电路中可起稳压作用。压作用。_+I VZVZIZIZM IZVO六、稳压二极管六、稳压二极管*稳压二极管的应用电路稳压二极管的应用电路5VE若若:E=7V,VR=2V;E=12V,VR=7V.流过稳压管电流的变化流过稳压管电流的变化不会引起稳压管两端电不会引起稳压管两端电压的变化压的变化*VZIZIZM IZVIO VZ3.3.稳压管的主要参数稳压管的主要参数(3)(3)稳定电流稳定电流I IZ Z，I IZminZminIIZ ZIIZmaxZmax(2)(2)(2)(2)动态电阻动态电阻动态电阻动态电阻ZZ ZIVrDD=(1)(1)稳定电压稳定电压V VZ Z PN PN结击穿电压结击穿电压 *一一 .晶体三极管的结构、符号、类型晶体三极管的结构、符号、类型NNP基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电集电集电集电极极极极NPNNPN型型型型becb be ec cPNPPNP型型P PP PN N基极基极基极基极发射发射极极极极集电集电集电集电极极极极符号：符号：becNPNNPN型三极管型三极管ecPNPPNP型三极管型三极管2.32.3晶体三极管晶体三极管*按结构分为：按结构分为：NPNNPN和和PNPPNP型两种；型两种；按制造材料分为：锗管和硅管；按制造材料分为：锗管和硅管；按功率大小分为：小功率管按功率大小分为：小功率管、中功率管中功率管、大功率管；大功率管；按工作频率分：高频管和低频管；按工作频率分：高频管和低频管；按用途分：放大管和开关管；按用途分：放大管和开关管；三极管的分类：三极管的分类：*二、晶体管的电流分配和放大作用二、晶体管的电流分配和放大作用1.1.三极管处于放大状态的工作条件三极管处于放大状态的工作条件B BEC CN NN NP PEBRBE EC CRC发射结正偏、集电结反偏；发射结正偏、集电结反偏；PNP PNP发射结正偏发射结正偏 V VB B V VE E集电结反偏集电结反偏 V VC C V VE E集电结反偏集电结反偏 V VC C V VB B 制造时应使发射区的掺杂浓度比较高，基区做的制造时应使发射区的掺杂浓度比较高，基区做的很薄，掺杂浓度低于发射区，集电结的面积大，掺很薄，掺杂浓度低于发射区，集电结的面积大，掺杂浓度更低。杂浓度更低。*2.2.三极管在电路中的三极管在电路中的3 3种接法种接法(a)(a)共射极共射极(CE)(CE)ceIBICb b(c)(c)共集电极共集电极(CC)(CC)ecIBIEb b 采用不同的电极作为公共电极就形成了三极管的采用不同的电极作为公共电极就形成了三极管的三种组态：三种组态：e(b)(b)共基极共基极(CB)(CB)cICIEb b*3.3.晶体三极管的电流分配及放大作用晶体三极管的电流分配及放大作用(1)(1)晶体管中载流子的运动及电流分配晶体管中载流子的运动及电流分配IBIEVBBVCCIC扩散扩散IBN复合复合ICBOICN1N+N收集收集p空穴注入空穴注入少子漂移少子漂移IENIEP电子电子注入注入晶体管中载流子的运动晶体管中载流子的运动（以（以NPN管为例）管为例）*发射区向基区注入电子（发射区向基区注入电子（IEN）；）；发射极电流发射极电流IE IEN晶体三极管又称为晶体三极管又称为双极型双极型三极管。三极管。注入电子在基区边扩散边复合（注入电子在基区边扩散边复合（IBN）是基极电流是基极电流IB的一部分；的一部分；集电区收集扩散来的电子（集电区收集扩散来的电子（ICN1）构成集电极电流构成集电极电流IC的主要成分；的主要成分；集电结两边少子定向漂移（集电结两边少子定向漂移（ICBO）；）；ICBO对放大无贡献，应当减小；对放大无贡献，应当减小；*电流分配关系图电流分配关系图IEICBOIBIEVBBVCCICNNp(1-)IE*IEICBOIBIEVBBVCCICNNp(1-)IE=发射极电流发射极电流IEI IE传输到集电极的电流分量传输到集电极的电流分量IEICN1=基区复合电流基区复合电流IBNI IE传输到集电极的电流分量传输到集电极的电流分量IBNICN1CN1=关系关系：=1-IBIc cIEIc c远远大于远远大于1 1时，有时，有*IEICBOIBIEVBBVCCICNNp(1-)IEIE=(1+)IB +(1+(1+)ICBOIC=IB+(1+)ICBOIB=(1-)IE-ICBOIC=IE+ICBO*（3）晶体管的电压极性和电流方向）晶体管的电压极性和电流方向(b)PNP(b)PNP型三极管型三极管ecb bIBIEIC+-+VBCVBEVCE(a)NPN(a)NPN型三极管型三极管VBCIBIEICcb be-+-+VBEVCE*复习复习1.1.晶体三极管的电流分配和电流放晶体三极管的电流分配和电流放大关系大关系?2.2.三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件?发射结发射结正偏，集电结反偏正偏，集电结反偏*三三 晶体三极管的伏安特性与等效电路晶体三极管的伏安特性与等效电路 VBBvCERbiBvBE+iCVCC+Rc*导通电压导通电压vBE(on)BE(on)硅管：硅管：(0.6 0.8)V锗管：锗管：(0.2 0.3)V取取 0.7 V取取0.2V0.2VO0CE=vV 1CE vBEv特性基本重合特性基本重合(电流分配关系确定电流分配关系确定)特性右移特性右移(因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子)0CE vV 1CE v（b b）输入特性曲线）输入特性曲线常数常数=CE)(BEBvvfi指指vCE为参变量，为参变量，iB B随随vBE的的关系变化曲线：关系变化曲线：1.1.输入特性与等效电路输入特性与等效电路*(b)(b)输出特性输出特性40 A60 A80 A100 AiB=020 A36iC(mA )1234vCE(V)912O放大区放大区输出特性曲线通常分三个工作区：输出特性曲线通常分三个工作区：(1)(1)放大区放大区对应放大状态：发射对应放大状态：发射结正偏结正偏,集电结反偏；集电结反偏；发射极与集电极的极发射极与集电极的极间电压为间电压为vBEBE vCECE vCCCC特点：特点：在放大区有在放大区有 iC=iB，也，也称为线性称为线性区，具有恒流特性。区，具有恒流特性。常数常数=B)(CECivfi输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线2.2.输出特性与等效电路输出特性与等效电路*i iB B=0=02020 A A4040 A A6060 A A8080 A A100100 A A3 36 6i iC C(mmA )A )1 12 23 34 4v vCECE(V)(V)9 91212O饱饱饱饱和和和和区区区区（2 2）饱和区）饱和区饱和状态饱和状态:发射结处于发射结处于正向偏置，正向偏置，集电结也集电结也处于正处于正偏。偏。特点：特点：饱和现象固定饱和现象固定vCECE,iC C基本不随基本不随i iB B变化变化vCECE控制控制iC C，固定固定iB B,iC C随随vCECE剧烈变化。剧烈变化。*i iB B=0=02020 A A4040 A A6060 A A8080 A A100100 A A3 36 6i iC C(mmA )A )1 12 23 34 4v vCECE(V)(V)9 91212O饱饱饱饱和和和和区区区区注意：注意：临界饱和临界饱和:v:vBCBC=0=0晶体管饱和时晶体管饱和时v vCECEvvBEBE饱和时的管压降：饱和时的管压降：v vCESCES 硅管硅管V VCESCES 0.3V0.3V，锗管锗管V VCESCES 0.1V0.1V。*（3 3）截止区）截止区i iB B 0 00V VCBCB00即即V VC CVVB BVVE E(a)NPN(a)NPN型型VBCIBIEICcb be-+-+VBEVCE-+-+-*对于对于PNPPNP型三极管应型三极管应满足：满足：vBEBE00v vCBCB00即即V VC CVVB BVVGS(th),产生导电沟道产生导电沟道 定义开启电压定义开启电压VGS(th)，为刚开始出现导电沟道时为刚开始出现导电沟道时的栅源电压数值。的栅源电压数值。*GDSVDSVGSID漏极电流漏极电流ID受控于受控于VGS通过改变加在绝缘层上的通过改变加在绝缘层上的电压（栅源电压）的大小电压（栅源电压）的大小来改变导电沟道的宽度，来改变导电沟道的宽度，进而改变沟道电阻的大小进而改变沟道电阻的大小以达到控制漏极电流的目以达到控制漏极电流的目的的,漏极电流漏极电流ID受控于受控于VGS（动画）（动画）*VDS影响影响ID（VGS=C00）VDS0VDS=(VGS-VGS(th)预夹断状态预夹断状态VDS IDVDS(VGS-VGS(th)预夹断后预夹断后VDS ID近似不变近似不变（漏源电压（漏源电压VDS对沟道的影响）对沟道的影响）*小结：小结：ID受控于受控于VGS：VGS ID 直至直至ID=0；ID受受VDS影响：影响：VDS ，则，则ID先增，随后近似不变；先增，随后近似不变；以预夹断状态为分界线以预夹断状态为分界线预夹断以前预夹断以前VDS ，ID 预夹断后预夹断后VDS ，ID 近似不变近似不变*iD/mAvDS/VvGS=2 V4 V6 V8 V截止区截止区可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区（a a）输出特性）输出特性输出特性曲线分为三个区：输出特性曲线分为三个区：截止区、放大区截止区、放大区(恒流区恒流区)、可变电阻区、可变电阻区(1)(1)输出特性曲线输出特性曲线iD D=f(vDSDS)vGS=GS=常数常数*vDS/V截止区特点：截止区特点：VGS VGS(th)iD=0（a a）输出特性）输出特性iD/mAvGS=2 V4 V6 V8 V截止区截止区*iD/mAvGS=2 V4 V6 V8 V放大区（恒流区）放大区（恒流区）（a a）输出特性）输出特性放大区对应管子预夹断放大区对应管子预夹断后状态特点：后状态特点：受控放大受控放大VGS ,iDvDS/V*（a a）输出特性）输出特性iD/mAvDS/V 2 V4 V6 V8 V可可变变电电阻阻区区可变电阻区对应预夹断前可变电阻区对应预夹断前状态特点：状态特点：电阻特性电阻特性 固定固定vGS,vDS ，iD近似线性增大。近似线性增大。变阻特性变阻特性 固定固定vDS,vGS变化，变化，则阻值变化。则阻值变化。*1.1.晶体三极管输出特性曲线是用来描述什么的晶体三极管输出特性曲线是用来描述什么的?具有哪些特点具有哪些特点?输出特性曲线可以分为那几个区输出特性曲线可以分为那几个区?2.MOS2.MOS场效应管可分为哪四类场效应管可分为哪四类?3.3.场效应管的输出电流场效应管的输出电流I ID D受哪两个电压的影响受哪两个电压的影响?复习复习*（2）转移特性曲线）转移特性曲线（b b）转移特性）转移特性开启电压开启电压v GS(th)2 4 6 8642vGS/ViD/mAiD=f(vGS)vDS=常常数数*2.N2.N沟道耗尽型场效应管沟道耗尽型场效应管存在原始导电沟道的存在原始导电沟道的场效应管场效应管。它是在栅极下。它是在栅极下方的方的S Si iO O2 2绝缘层中掺入了大绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当量的金属正离子。所以当V VGSGS=0=0时，这些金属离子已时，这些金属离子已经感应出反型层，在漏源经感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极要有漏源电压，就有漏极电流存在。电流存在。*（b b）输出特性）输出特性vDS/ViD/mAvGS=4 V 2 V0 V+1 VOvP（a a）转移特性）转移特性vGS/ViD/mAIDSS夹断夹断电压电压饱和漏饱和漏极电流极电流N N沟道耗尽型场效应管特性曲线沟道耗尽型场效应管特性曲线当当V VGSGS00时，将使时，将使I ID D进一步增加，进一步增加，V VGSGS00时，随着时，随着V VGSGS的减小的减小漏极电流逐渐减小，直至漏极电流逐渐减小，直至I ID D=0,=0,对应对应I ID D=0=0的的V VGSGS称为夹断电称为夹断电压，用符号压，用符号V VGS(off)GS(off)表示。表示。*四四 场效应管的符号表示及主要参数场效应管的符号表示及主要参数(a)N(a)N沟道增强型沟道增强型SGDBiD(b)P(b)P沟道增强型沟道增强型SGDBiDSGDBiD(c)N(c)N沟道耗尽型沟道耗尽型iDSGDB(d)P(d)P沟道耗尽型沟道耗尽型1.1.场效应管的符号场效应管的符号*2.2.场效应管的主要参数场效应管的主要参数饱和漏极电流饱和漏极电流I IDSSDSS：耗尽型管耗尽型管vGSGS=0=0时的时的iD D值。值。（1 1）直流参数直流参数夹断电压夹断电压V VP ：耗尽型管：耗尽型管I ID D=0=0时的时的v vGSGS值值开启电压开启电压V VT T：增强型管刚开始导电时的：增强型管刚开始导电时的v vGSGS值。值。*栅源栅源击穿电压击穿电压V V(BR)GS(BR)GS跨导跨导 反映了反映了v vGS GS 对对i iD D 的控制能力，单位的控制能力，单位S(S(西门子西门子)。一般为几毫西一般为几毫西(mS)(mS)常数常数=DSGSDmvvig（2 2）交流参数交流参数漏源击穿电压漏源击穿电压V V(BR)GS(BR)GS最大漏极电流最大漏极电流I ID DM,M,为管子正常工作时允许的最大漏为管子正常工作时允许的最大漏极电流。极电流。漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率PDMPDM=VDS ID