常用的半導(dǎo)體器件有二極管三極管場(chǎng)效應(yīng)晶體管等

12024/12/6電子技術(shù)基礎(chǔ)課程負(fù)責(zé)人郭玉霞22024/12/61.1PN結(jié)1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極型三極管1.4場(chǎng)效應(yīng)晶體管第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

32024/12/6

半導(dǎo)體器件是用半導(dǎo)體材料制成的電子器件。常用的半導(dǎo)體器件有二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。半導(dǎo)體器件是構(gòu)成各種電子電路最基本的元件。1.1PN結(jié)42024/12/6

1.1.1本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導(dǎo)體：純凈的半導(dǎo)體。如硅、鍺單晶體。熱激發(fā)：熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。載流子：自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。共價(jià)鍵：相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。52024/12/6

本征半導(dǎo)體的電子空穴對(duì)62024/12/6【結(jié)論】純凈半導(dǎo)體也稱為本征半導(dǎo)體

1．本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，且數(shù)量少；

2．半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；

3．本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。72024/12/61.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性雜質(zhì)半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體）在純凈半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)

1．N型半導(dǎo)體：在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入磷、砷等5價(jià)元素，靠自由電子導(dǎo)電。

N型半導(dǎo)體82024/12/6

2．P型半導(dǎo)體：在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價(jià)元素，靠空穴運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體92024/12/6

【結(jié)論】摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少?zèng)Q定于溫度。無論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。102024/12/61.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?．PN結(jié)的形成：將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層→PN結(jié)。PN結(jié)的形成與單相導(dǎo)電性112024/12/62．PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓偻饧诱螂妷海ㄒ步姓蚱茫和饧与妶?chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，形成較大的正向電流，這時(shí)稱PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。②外加反向電壓（也叫反向偏置）外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)很小反向電流，這時(shí)稱PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)?！綪N結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。122024/12/61.2半導(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和特性1．二極管的結(jié)構(gòu)構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管半導(dǎo)體二極管按材料不同分硅、和鍺二極管半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)不同可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。二極管的電路符號(hào)132024/12/6

2．半導(dǎo)體二極管的伏安特性（1）正向特性外加正向電壓較小時(shí)，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(tài)。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流隨著正向電壓增大迅速上升。導(dǎo)通電壓

UD(on)(0.6

0.8)V―硅管0.7V(0.1

0.3)V―鍺管0.2V142024/12/6（2）反向特性外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流很小。反向電壓大于擊穿電壓時(shí)，反向電流急劇增加。（3）反向擊穿類型：電擊穿—PN結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。熱擊穿—PN結(jié)燒毀。二極管伏安特性曲線152024/12/61.2.2半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)(超過時(shí)單向?qū)щ娦宰儾?（1）IOM－最大整流電流(最大正向平均電流)（2）UB－反向擊穿電壓指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。（3）UDRM－最大反向工作電壓（約為UB的一半）。（4）IRM－最大反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?（5）fM－最高工作頻率（超過時(shí)單向?qū)щ娦宰儾睿?62024/12/6【影響工作頻率的原因】主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小(1)低頻時(shí)，因結(jié)電容很小，對(duì)PN結(jié)影響很??；高頻時(shí)，因容抗增大，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾睢?2)結(jié)面積小時(shí)結(jié)電容小，工作頻率高?！径O管的理想模型】正向電阻為零，正向?qū)〞r(shí)為短路特性，正向壓降忽略不計(jì)；反向電阻為無窮大，反向截止時(shí)為開路特性，反向漏電流忽略不計(jì)。二極管理想模型的伏安特性172024/12/6【二極管的恒壓降模型】正向?qū)〞r(shí)等效為恒壓源，硅材料為0.7V電壓，鍺材料為0.2V電壓；反向截止時(shí)為開路特性，反向漏電流忽略不計(jì)。二極管的恒壓降模型182024/12/6【結(jié)論】VDD

（二極管兩端的電壓）大，采用理想模型；VDD小，采用恒壓降模型192024/12/61.2.3二極管的應(yīng)用

利用二極管的單向?qū)щ娦?，可以組成整流、限幅、鉗位，檢波及續(xù)流等應(yīng)用電路。1．單相半波整流電路將交流電變成脈動(dòng)直流電的過程叫做整流。在交流電壓u2的負(fù)半周，二極管D上作用著反向電壓，二極管不導(dǎo)通，電路中沒有電流，負(fù)載RL上沒有電壓，交流電壓u2的負(fù)半周全部作用在二極管上。單向半波整流電路單向半波整流電路工作波形212024/12/62．單相全波整流電路為了克服單相半波整流的不足，出現(xiàn)了單相全波整流電路，如圖所示。在u2的正半周，D1導(dǎo)通，D2承受反向電壓而截止；在u2的負(fù)半周，D2導(dǎo)通，Dl承受反向電壓而截止。即一個(gè)周期內(nèi)兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通，從而正、負(fù)半周具有同一方向的電流流過負(fù)載RL，故叫全波整流電路，其電流、電壓波形如圖所示。單向全波整流電路單向全波整流電路工作波形232024/12/63．半導(dǎo)體二極管限幅電路限制輸出信號(hào)幅度的電路叫限幅電路。當(dāng)輸入信號(hào)幅度變化較大時(shí)，為了使信號(hào)幅度能夠限制在一定范圍內(nèi)，可將輸入信號(hào)接入限幅電路。限幅電路限幅電路波形242024/12/64．鉗位電路將電路中某點(diǎn)電位值鉗制在選定的數(shù)值上而不受負(fù)荷變動(dòng)影響的電路叫鉗位電路。

鉗位電路252024/12/65．二極管檢波電路檢波就是將低頻信號(hào)從已調(diào)制信號(hào)(高頻信號(hào))中取出的電路。檢波電路及波形262024/12/6

在電視、廣播及通訊中，為了使圖像、聲音能遠(yuǎn)距離傳送，需要將這一低頻電信號(hào)裝載到高頻信號(hào)(叫載波信號(hào))上，以便從天線上發(fā)射出去。其中高頻信號(hào)的振幅、頻率或相位隨低頻信號(hào)變化，這個(gè)過程叫做調(diào)制。272024/12/6為防止含電感元件電路在換路時(shí)出現(xiàn)高電壓，以免損壞元器件，可以采用二極管續(xù)流電路來實(shí)現(xiàn)。正常工作時(shí)，續(xù)流二極管不導(dǎo)通，當(dāng)電感與電壓斷開瞬時(shí)，電感電流仍維持原大小并按原方向繼續(xù)流動(dòng)，此時(shí)續(xù)流二極管為電感提供了放電通路。放電時(shí)電感兩端電壓始終等于續(xù)流二極管的正向電壓，避免了電感上出現(xiàn)高電壓。6．續(xù)流二極管電路為防止電感元件換路出現(xiàn)過電壓而并接一個(gè)二極管的電路稱之為續(xù)流二極管電路。續(xù)流原理電路282024/12/61.2.4特殊二極管1．穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的半導(dǎo)體二極管，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓就是反向擊穿電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于：電流增量很大，只引起很小的電壓變化。穩(wěn)壓二極管伏安特性穩(wěn)壓二極管符號(hào)292024/12/6穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓UZ

（2）穩(wěn)定電流IZ：越大穩(wěn)壓效果越好，小于Imin

時(shí)不穩(wěn)壓。（3）動(dòng)態(tài)電阻rZ：rZ=ΔUZ/ΔIZ，越小穩(wěn)壓效果越好（4）額定功率PZ和最大穩(wěn)定電流IZM

：PZ=UZ*IZM302024/12/62．發(fā)光二極管當(dāng)發(fā)光二極管的PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，導(dǎo)通并發(fā)光，常用于信號(hào)指示、數(shù)字和字符顯示。發(fā)光二極管符號(hào)及應(yīng)用電路312024/12/63．光電二極管光電二極管的又稱為光敏二極管，反向偏置時(shí)光照通。光電二極管符號(hào)322024/12/64．變?nèi)荻O管對(duì)PN結(jié)，當(dāng)外加反向電壓增大時(shí)，耗盡層加寬，相當(dāng)于平板電容兩極板之間距離加大，電容減小。反之，反向電壓減小時(shí)，耗盡層變窄，等效平板電容兩極板之間距離變小，電容增加。變?nèi)荻O管就是利用PN結(jié)這個(gè)特性制成的。其符號(hào)及特性如圖所示。變?nèi)荻O管容量很小，所以主要用于高頻場(chǎng)合下。332024/12/6變?nèi)荻O管符號(hào)及特性342024/12/65．光電耦合器件將發(fā)光二極管和光電二極管組合起來可以構(gòu)成二極管型光電耦合器件，如圖所示。它以光為媒介實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞。光電耦合器件由于發(fā)光器件和光電器件相互絕緣，分別處于輸入和輸出回路，所以可以實(shí)現(xiàn)兩電路的電氣隔離，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單方向傳遞。光電耦合器件352024/12/61.3晶體管1.3.1三極管的結(jié)構(gòu)和分類

雙極型晶體管：半導(dǎo)體三極管是由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)構(gòu)成的。在工作過程中，兩種載流子（電子和空穴）都參與導(dǎo)電，簡(jiǎn)稱晶體管或三極管。362024/12/6372024/12/6分類:按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP按使用頻率分：低頻管、高頻管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.5

1W大功率管>1W382024/12/61.3.2電流分配和電流放大原理1．產(chǎn)生放大作用的條件外部：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏三極管放大電流的外部條件392024/12/62．三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成發(fā)射極電流iE（2）電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流iB（3）集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的電子，形成集電極電流iC3．電流分配關(guān)系：

iE=iC+iB

三極管的電流放大作用:基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對(duì)集電極具有小量控制大量的作用。402024/12/61.3.3三極管的特性曲線1．輸入特性曲線412024/12/62．輸出特性曲線（1）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置（2）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置

（3）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置此時(shí)：422024/12/6三極管輸出特性曲線432024/12/61.3.4三極管的主要參數(shù)1．電流放大系數(shù)β：iC=βiB2．極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3．極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM：

下降到額定值的2/3時(shí)所允許的最大集電極電流。(超過時(shí)

值明顯降低)

（2）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時(shí)，集電極、發(fā)射極間的最大允許電壓。（3）集電極最大允許功耗PCM。442024/12/61.3.5溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響由于半導(dǎo)體三極管具有兩種載流子(空穴和電子)導(dǎo)電，溫度對(duì)其特性十分敏感。一般要考慮對(duì)下面三個(gè)參數(shù)的影響。1．溫度對(duì)ICBO影響溫度升高，ICBO增加。溫度每升高10℃，ICBO增加一倍。2．溫度對(duì)β的影響溫度升高,β值增加。溫度每升高1℃時(shí),β值增加0．5～1％。3．溫度對(duì)UBE的影響溫度升高，UBE減小。溫度每升高1攝氏度，UBE減小2～2．5mV。452024/12/61.4場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)：1．是一種電壓控制器件；2．輸入電阻極高；3．是單極型器件；4．受溫度、外界輻射影響小。場(chǎng)效應(yīng)管的分類：按結(jié)構(gòu)不同，場(chǎng)效應(yīng)管分為兩大類，六種管子：462024/12/6472024/12/61.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1．結(jié)構(gòu)及符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管分N溝道和P溝道兩類，結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)如圖所示。圖(a)所示為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，圖(b)所示為P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。場(chǎng)效應(yīng)管圖形符號(hào)中箭頭方向表示PN結(jié)正向偏置時(shí)柵極電流的方向。492024/12/62．工作原理以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例分析。N溝道場(chǎng)效應(yīng)管常接成如圖所示電路(共源極接法)。在放大工作狀態(tài)時(shí)，D、S極間加正向電壓VDD，G、S極間加反向電壓VGG。由于柵極相對(duì)漏、源極是處于低電位，使N溝道兩側(cè)PN結(jié)承受反向偏置電壓。所以改變加在PN結(jié)兩端反向偏置電壓，就可改變耗盡層的寬度，也就改變了中間導(dǎo)電溝道的寬度。這樣利用電壓的變化來控制導(dǎo)電溝道中多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)，也就控制了導(dǎo)電溝道中電流的大小。502024/12/6【總結(jié)】當(dāng)導(dǎo)電溝道沒有預(yù)夾斷時(shí)，ＩD隨UDS增大而增大；當(dāng)溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷后，ID不再受UDS影響而幾乎保持不變，此時(shí)漏極電流由柵源電壓控制。UGS愈負(fù)，耗盡層愈寬，導(dǎo)電溝道愈窄，溝道電阻愈大，在一定UDS作用下所產(chǎn)生漏極電流ID愈小，這樣就實(shí)現(xiàn)了UGS對(duì)ID的控制。N溝道結(jié)型管工作原理圖512024/12/63．特性曲線（1）輸出特性場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性是指：在柵源電壓一定時(shí)，漏極電流ID與漏源電壓UDS之間的關(guān)系曲線，即ID=?（UDS）｜ＵGS＝常數(shù)522024/12/6輸出特性分為三個(gè)區(qū)——可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(放大區(qū))和夾斷區(qū)。N溝道結(jié)型管轉(zhuǎn)移特性N溝道結(jié)型管輸出特性532024/12/61）可變電阻區(qū)：UDS較小時(shí)，靠近縱軸部分稱為可變電阻區(qū)。它表示管子在預(yù)夾斷前電壓與電流關(guān)系。該區(qū)域中ID幾乎正比UDS，并且隨UGS負(fù)值增加，輸出特性曲線斜率減小，電阻增大。場(chǎng)效應(yīng)管在這一區(qū)域工作時(shí)，可以看成一個(gè)由電壓UGS控制的可變電阻。2）恒流區(qū)(放大區(qū))：漏極特性曲線近似水平部分叫恒流區(qū)。它表示管子預(yù)夾斷后電壓與電流關(guān)系。漏極電流ID幾乎不隨UDS變化，輸出特性曲線趨于水平。該區(qū)域中ID大小僅受UGS控制，UGS愈負(fù)，則ID愈小。場(chǎng)效應(yīng)管在這一區(qū)域工作，可以看成一個(gè)受電壓UGS控制的電流源。場(chǎng)效應(yīng)管作為放大器件使用，是工作在這個(gè)區(qū)域，所以又叫做放大區(qū)。542024/12/63）夾斷區(qū)：當(dāng)｜UGS｜≥｜UGS(off)｜時(shí)，所對(duì)應(yīng)輸出特性曲線靠近橫軸部分叫夾斷區(qū)。此時(shí)，N溝道完全被夾斷，ID=0，場(chǎng)效應(yīng)管為截止?fàn)顟B(tài)。(2)轉(zhuǎn)移特性場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性是指：在漏源電壓UDS一定時(shí)，漏極電流ID與柵源電壓UGS之間關(guān)系，即ID=?（UGS）｜UDS=常數(shù)ID可以近似表示為

UGS(off)≤UGS≤0552024/12/61.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管1．絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)無論是N溝道MOS管還是P溝道MOS管，都只有一種載流子導(dǎo)電，均為單極型電壓控制器件。562024/12/6【特點(diǎn)】(1)單極性器件(一種載流子導(dǎo)電)(2)輸入電阻高(107

1015

，IGFET可高達(dá)1015

)(3)工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低572024/12/62．絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理與特性曲線耗盡型：UGS=0時(shí)漏、源極之間已經(jīng)存在原始導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型：UGS=0時(shí)漏、源極之間不存在原始導(dǎo)電溝道，加電才能形成導(dǎo)電溝道。582024/12/6（1）N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管存在原始導(dǎo)電溝道592024/12/6UGS=0時(shí)漏、源極之間就可以導(dǎo)電。這時(shí)在外加電壓UDS作用下的漏極電流稱為漏極飽和電流IDSS。UGS>0時(shí)溝道內(nèi)感應(yīng)出的負(fù)電荷增多，溝道加寬，溝道電阻減小，ID增大。UGS<0時(shí)會(huì)在溝道內(nèi)產(chǎn)生出正電荷與原始負(fù)電荷復(fù)合，溝道變窄，溝道電阻增大，ID減小。UGS達(dá)到一定負(fù)值時(shí)，溝道內(nèi)載流子全部復(fù)合耗盡，溝道被夾斷，ID=0，這時(shí)的UGS稱為夾斷電壓UGS(off)。602024/12/6（2）N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線612024/12/6增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管不存在原始導(dǎo)電溝道（1）UGS=0時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通，ID=0。（2）UGS>0時(shí)會(huì)產(chǎn)生垂直于襯底表面的電場(chǎng)。UGS增加，負(fù)電荷數(shù)量增多，形成導(dǎo)電溝道，漏、源極之間有ID出現(xiàn)。在一定的漏、源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的臨界柵、源電壓稱為開啟電