第1章半导体器件及其特性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体器件及其特性,第,1,章,机械工业出版社同名教材,配套电子教案,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：,I,S,：,PN,结反向饱和电流；,U,T,为温度电压当量：,U,T,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,I,S,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性的影响,温度升高后，二极管死区电压,U,th,和导通正向压降,U,on,下降（正向特性左移）。,温度每升高,1,，,U,on,约减小,22.5mV,。,温度升高后，二极管反向饱和电流,I,S,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,I,F,最高反向工作电压,U,RM,反向电流,I,R,和反向饱和电流,I,S,最高工作频率,f,M,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,，,u,i,=10Sin,t,（,V,），试分别画出输出电压,u,O,波形。,图,1-10,例,1-2,电路,解：（,1,）图,1-10a,电路：,VD,导通时，,U,D,=0,，按,u,O,=,U,D,+,E,=,E,=5V,。,VD,截止时，电阻中无电流流过，,U,R,=0,，按,u,O,=,U,R,+,u,i,=,u,i,=10Sin,t,（,V,）。,VD,端正极电压大于,5V,时，,VD,导通；小于,5V,时，,VD,截止。画出,u,O,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，,u,O,=,U,D,+,u,i,=,u,i,二极管,VD,截止时，,u,O,=,U,R,+(-,E,)=-,E,=-5V,VD,端正极电压大于,-5V,时导通，小于,-5V,时截止，画出,u,O,波形如图,1-10d,所示。,例,1-2,电路及,ui,、,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,U,Z,。,稳定电流,I,Z,。,最大耗散功率,P,ZM,和最大工作电流,I,ZM,。,动态电阻,r,Z,。,稳压管的质量参数，,r,Z,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，,u,CE,V,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,u,BE,约为,0.6,0.7V,，,锗管约,0.2,0.3V,。,图,1-22 NPN,型三极管共发射极电路输入特性曲线,输出特性曲线,1,）定义：,2,）特点：,是一族曲线，对应于每一,i,B,都有一条输出特性曲线。,当,u,CE,1V,后，曲线比较平坦，即,i,C,不随,u,CE,增大而增大。,当,i,B,增加时，曲线上移，表明对于同一,u,CE,，,i,C,随,i,B,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：,i,C,i,B,，,i,C,与,i,B,成正比关系。,截止区,条件：发射结反偏，集电结反偏。,特点：,i,B,0,，,i,C,I,CEO,0,饱和区,条件：发射结正偏，集电结正偏。,特点：,i,C,与,i,B,不成比例。即,i,B,增大，,i,C,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,集,-,基反向饱和电流,I,CBO,和集,-,射反向饱和电流,I,CEO,是表征三极管质量的重要参数。,I,CEO,与,I,CBO,的关系：,图,1-24,三极管极间反向电流,a)I,CBO,b)I,CEO,集电极最大允许电流,I,CM,集电极最大允许耗散功率,P,CM,集,-,射极反向击穿电压,U,(BR)CEO,饱和压降,U,CES,特征频率,f,T,图,1-25 I,CEO,、,U,(BR)CEO,和,U,CES,图,1-26,三极管,P,CM,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,U,1,、,U,2,、,U,3,，且已知其工作在放大区，试判断其硅管或锗管？,NPN,型或,PNP,型？并确定其,E,、,B,、,C,三极。,U,1,=5.2V,，,U,2,=5.4V,，,U,3,=1.4V,；,U,1,=-2V,，,U,2,=-4.5V,，,U,3,=-5.2V,。,解：,PNP,型锗管，,U,1,、,U,2,、,U,3,引脚分别对应,B,、,E,、,C,极；,NPN,型硅管，,U,1,、,U,2,、,U,3,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,U,BE,：硅管约,0.6,0.7V,，锗管约,0.2,0.3V,。据此，可寻找电压差值为该两个数据的引脚。若为,0.6,0.7V,，则该管为硅管；若为,0.2,0.3V,，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,U,1,U,2,、题中,U,2,U,3,符合此条件，因此可确定：题为锗管，,U,3,引脚对应,C,极；题为硅管，,U,1,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,U,3,低于,U,1,U,2,，为,PNP,型；题中,U,1,高于,U,2,U,3,，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,U,C,U,B,U,E,；,PNP,型各极电压高低排列次序为,U,C,U,B,U,E,。,题中,U,1,为,B,极，,U,2,为,E,极；题中,U,2,为,B,极，,U,3,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，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,U,BE,=0.6,0.7V,，,PNP,硅管,U,BE,=-0.6,-0.7V,；,NPN,锗管,U,BE,=0.2,0.3V,，,PNP,锗管,U,BE,=-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,）、,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,U,CE,很小，,b,）、,f,）满足条件,；,集电结反偏，放大，此时,U,CE,较大，,a,）、,g,）满足条件,。,但若,NPN,管,U,C,U,E,，,PNP,管,U,C,U,E,，则电路工作不正常，一般有故障。,若,U,C,=,V,CC,（电路中有集电极电阻,R,C,），说明无集电极电流，,C,极内部开路。,若发射结反偏，或,U,BE,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,U,BE,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,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。,|,u,DS,|,|,U,GS(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,U,GS(th,),(,增强型,MOS,适用,),。,I,DSS,一般为场效应管最大电流。增强型,MOS,无,I,DSS,参数。,3,）数学表达式,结型、耗尽型,MOS,：,增强型,MOS,：,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