半導體器件基礎教案

1、第一章半導體器件基礎【學習目標】1. 了解PN結的單向導電性。2. 熟悉二極管的伏安特性3. 了解開關二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管的基本用途。4. 掌握三極管輸出特性曲線中的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)等概念。5. 熟悉三極管共發(fā)射極電流放大系數B的含義。6. 熟悉對三極管開關電路工作狀態(tài)的分析方法。7. 熟悉三極管的主要參數。8. 熟悉MOSg效應管的分類及符號。9. 熟悉增強型NMOS的特性曲線。10. 了解MO駭效應管的主要參數?！緝热萏嵋勘菊陆榻B三種常用的半導體器件，即半導體二極管、三極管及MO揚效應管。重點介紹這些器件的外部特性曲線、主要參數及電路實例。一、教學內容（一）半導體二極管1

2、. PN結的伏安特性PN結的伏安特性描述了PN結兩端電壓u和流過PNK電流i之間的關系。圖是PN結的伏-安特性曲線?？梢钥闯觯簣D2.1(1)當外加正向電壓較小(ui<Udn)時，外電場不足以克服PN結內電場對多子擴散所造成的阻力，電流i幾乎為0,PN結處于截止狀態(tài)；(2)當外加正向電壓ui大于UOn時，正向電流i隨u的增加按指數規(guī)律上升且i曲線很陡。(3)當外加反向電壓(u<0)時，反向電流很小,幾乎為0,用Ir表示；(4)當u<U(br)時，二極管發(fā)生電擊穿,UI稍有增加急劇增大，u工Ubr。把PN結外加正向電壓導通、外加反向電壓截止的性能稱作單向導電特性.Uon稱作導通電

3、壓，也叫開啟電壓，U(br)稱作反向擊穿電壓，Ir稱作反向電流。2.半導體二極管應用舉例半導體二極管是將PN結用外殼封裝、加上電極引線構成?？梢杂米飨薹娐?、開關電路等。(1)用作限幅電路圖2.2(a)是二極管電路。假設輸入電壓ui是一周期性矩形脈沖，輸入高電平Uih=+5V、低電平Uil=-5V,見圖(b)。可以知道，當輸入信號的正半周時，二極管導通，uo=ui=+5V,負半周時，二極管截止，iDO,uo制，對應波形見圖中(c)所示。通過二極管電路，使輸出電壓負半周的幅度受到了限制。(2)用作開關電路2在圖2.2(a)所示的二極管電路中，假設二極管為理想二極管?？梢灾溃斴斎胄盘柕恼胫軙r

4、，二極管導通，二極管可以看作只有很小()壓降的閉合開關，負半周時，二極管截止，iD0,二極管可以看作斷開的開關。在數字電路中，二極管常被當做開關使用。(二)雙極型三極管1 .雙極型三極管及其三種工作狀態(tài)NPN硅三極管的共射車出特性如圖2.3所示。把Ib=0這條曲線以下部分稱為截止區(qū)，止匕時，三極管各極電流18麗資0,對應三極管截止的條件是UbK0.5V；在特性的中間部分,曲線是一族近似水平的直線，這個區(qū)域稱為放大區(qū)，此時,Ic=PlB,對應三極管放大的條件是UB晶0.5V.UBK0V;把輸出特性靠近縱軸的上升部分，對應不同的Ib值的各條曲線幾乎重疊在一起的區(qū)域稱為飽和區(qū)，此時,UceMUces

5、對應三極管飽和的條件是UbA0.7V.Ubo>0Vo2 .三極管的主要參數(1)共發(fā)射極電流放大系數P共發(fā)射極電流放大系數P表示管子做成后，其收集電流和基區(qū)復合電流之比，是一個常攵。(2)集電極-發(fā)射極飽和電壓Uces集電極-發(fā)射極飽和電壓Uces指管子飽和時，集電極-發(fā)射極間的管壓降，小功率管M0.3V。(3)集電極最大電流Icm集電極最大電流Icm指集電極允許流過的最大電流。(4)集電極最大功率損耗Pcm集電極最大功率損耗Pcm指集電極允許的最大功率。(5)集電極-發(fā)射極擊穿電壓UceoIcm、Pcm、Uceo是極限值，使用管子時，不要超過極限值。(三)MOS場效應管1 .MOS場效

6、應管的分類MOS©效應管按其溝道和工彳類型可分為四種：N溝道增強型、P溝道增強型、N溝道耗盡型、P溝道耗盡型。表2.1列出了四種場效應管的特點。表2.1漏源材料導通溝道類型值壓柵極工作電壓漏源工作電壓它點其特11溝道增強型P型N型電子加正正正電子遷移率高，故速度快P溝道增強型N型P型空穴即負負負易做，速度慢M溝道耗盡型P型N型電子“負零、正、負均可正速度?？?，可在零柵壓下工作P溝道耗盡型II型P型空穴“正難制作2 .特性曲線圖2.4示出了增強型NMOS管共源電路的轉移特性和輸出特性曲線。圖2.4圖（a）的轉移特性曲線描述MOS管柵源電壓ugs和漏極電流iD之間的關系。因為Ugs是輸入

7、回路的電壓，而iD是輸出回路的電流，故稱轉移特性。可以看出：當ugs很小日iD基本上為0,管子截止；當Ugs大于Utn（Utn稱作開啟電壓）時：iD隨Ugs的增加而增加。圖（b）的輸出特性曲線描述漏源電壓uds和漏極電流iD之間的關系?？梢钥闯?，它分作三個區(qū)域：夾斷區(qū)：Ugs<Utn的區(qū)域。在夾斷區(qū)，管子處于截止狀態(tài)，漏源間的等效電阻極高。漏極電流幾乎為0,輸出回路近似開路;可變電阻區(qū)：Ugs>Utn且Uds較小(Uds<ugs-Utn)的區(qū)域。在可變電阻區(qū)，iD和Uds之間呈線性關系，UGS值越大，曲線越陡，漏源間的等效電阻就越小；恒流區(qū)：Ugs>Utn且Uds較大(

8、Uds>ugs-Utn)的區(qū)域。在恒流區(qū)，iD只取決于Ugs,而與Uds無關。表2.2列出了MOS管工作在截止和導通狀態(tài)時的條件及特點。表2.2NMOS管PMOS管特點截止uGS<UtnUgs>UtpRds非常大，相當于開關斷開導通Ugs>Utnugs<UtproN非常小，相當于開關閉合、例題解析(答案供參考)例2.1在圖P2.1(a)(b)(c)所示的電路中，設二極管為理想二極管，輸入電壓72sin(2以1000t)1輸入波形如圖(d),試分別畫出各電路輸出口的波形.解：分析二極管電路，要抓住二極管導通和截止的條件和特點。設理想二極管的導通電壓為0V,導通時，管

9、壓降為0V(非理想狀態(tài)一般為0.7V);二極管兩端的正向電壓小于0.5V時，管子截止，iD，0。抓住這些要點，可以知道在輸入圖(d)所示波形的情況下，圖（a）電路中，在輸入信號的正半周，二極管導通，輸出電壓等于管壓降，約為0V,在輸入信號的負半周，二極管截止，iD,電阻上的壓降比0,輸出電壓等于輸入電壓，UOMI；圖（b）電路中，在輸入信號的正半周，二極管導通，管壓降約為0V,輸出電壓約等于輸入電壓，Uo刈I；在輸入信號的負半周，二極管截止，iD0,電阻上的壓降00,輸出電壓等于0;圖（c）電路中，在輸入信號的正半周，二極管因反向偏置而截止，iD之0,電阻上的壓降，輸出電壓等于0;在輸入信號的

10、負半周，二極管導通，管壓降約為0V,輸出電壓約等于輸入電壓。相應波形見答圖P2.1。答圖2.5例2.2在圖P2.2中，若已知管子的導通電壓Uon=0.6V邛=80,管子導通后Ube=0.7V,Uces=0.3V,若輸入電壓ui幅值為5V、頻率為1kHz的脈沖電壓源，試分析：（1）當U產Uil=0V和u尸Uih=5V時三極管的工作狀態(tài)（放大、飽和、截止）；（2）若Rb值不變，求電路工作在臨界飽和區(qū)時Rc的最小值；若RC值不變，求電路工作在臨界飽和區(qū)時R的最大值。i B I BS(2)固定Rb值不變，求臨界飽和時的Rcmin可得 Rcmin=1.4K Oo解：分析三極管電路。同樣要抓住三極管三種工

11、作狀態(tài)的條件和特點。(1)當uI=Uil=0時:由于uI<Uon=0.6V時，管子工作在截止狀態(tài)；當uI=Uih=5V時：三極管導通ib=(5-0.7)/40=0.1075mA,ic=80X0.1075=8.6mA,uce=Ucc-icRc=128.6X2=62V,故可判斷出管子工作在飽和狀態(tài)ics=(UccUces)/Rc尸(12-0.3)/2=5.85mA,IBS=ICS/P=0.073mA,(3)固定RC值不變，求臨界飽和時的Rbmax臨界飽和時，4可得Rbmax=61KQo工內容總結二、學習要求三個元件：二極管、三極管和MOS管兩個重點：1、元件的外特性2、作開關元件的應用本章基礎部分自學為主，不苛求元件內部工作原理的掌握，學會運用“黑箱”的方法理解元件的外特性及開關特性。三思考題1共價鍵結構，本征半導體，自由電