電子技術(shù)課件

第1章半導(dǎo)體器件1.2半導(dǎo)體二極管1.3特殊二極管1.4半導(dǎo)體三極管1.5場(chǎng)效應(yīng)管1.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?

1）受外界光照時(shí)電導(dǎo)率發(fā)生很大變化——光敏性；

2）受外界熱刺激時(shí)電導(dǎo)率發(fā)生很大變化——熱敏性；

3）摻進(jìn)微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增加——摻雜性。1.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦暂d流子——可以自由移動(dòng)的帶電粒子。

根據(jù)物體導(dǎo)電能力的不同，劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge等。半導(dǎo)體的特點(diǎn)：2+4+4+4+4+4+4+4+4+4T=0K時(shí)本征半導(dǎo)體——純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。3+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴本征激發(fā)復(fù)合在常溫下成對(duì)出現(xiàn)成對(duì)消失本征半導(dǎo)體的載流子空穴運(yùn)動(dòng)4結(jié)論1.本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。3.溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。5雜質(zhì)半導(dǎo)體:

雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體（三價(jià)）（五價(jià)）6+4+4+4+4+4+4+4+4（1）N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的五價(jià)元素,如磷,則形成N型半導(dǎo)體。(電子型半導(dǎo)體)

磷原子+4+5多余價(jià)電子自由電子正離子本征激發(fā)7+4+4+4+4+4+4+4空穴（2）P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價(jià)元素,如硼,則形成P型半導(dǎo)體。

(空穴型半導(dǎo)體)

+4+4硼原子填補(bǔ)空位+3負(fù)離子本征激發(fā)81.N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，其中大部分是摻雜提供的，本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的自由電子只占少數(shù)。N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。2.P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。結(jié)論9P區(qū)N區(qū)1.PN結(jié)的形成N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散并與電子復(fù)合空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向二、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?0內(nèi)電場(chǎng)方向E外電場(chǎng)方向RI2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)N區(qū)外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流（1）外加正向電壓11R2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)變寬

（2）外加反向電壓E外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流IR121、空間電荷區(qū)中沒有載流子又稱耗盡層。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為多子形成的運(yùn)動(dòng)）3、少子數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。4、PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

正向偏置：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓多子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，PN結(jié)導(dǎo)通

反向偏置：P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓少子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，PN結(jié)截止結(jié)論131.2半導(dǎo)體二極管二極管：一個(gè)PN結(jié)就是一個(gè)二極管。單向?qū)щ姡憾O管正極接電源正極，負(fù)極接電源負(fù)極時(shí)電流可以通過。反之電流不能通過。符號(hào)：14伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.5~0.7V,鍺管0.1~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)小結(jié)：（1）二極管正向電壓很小時(shí)，有死區(qū)。（2）二極管正向?qū)〞r(shí)管壓降基本固定。導(dǎo)通電阻很小。（3）二極管反向截止時(shí)，反向電流很小，并幾乎不變，稱反向飽和電流。（4）反向電壓加大到一定程度二極管反向擊穿。＋－＋－OACBD15半導(dǎo)體二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IOM(2)反向工作峰值電壓UBWM(3)反向峰值電流IRM二極管加上反向峰值電壓下的反向電流值。二極管連續(xù)工作時(shí)，允許流過的最大整流電流的平均值。二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓。為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。UI16

試求下列電路中的電流。（二極管為硅管）分析、應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用范圍很廣,它可用于整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。其中：US=5V，R=1K解：電路中二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)+-USRI二極管為電流控制型元件，R是限流電阻。例117已知VA=3V，VB=0V，VDA

、VDB為鍺管，求輸出端Y的電位并說明二極管的作用。解：VDA優(yōu)先導(dǎo)通，則VY=3–0.3=2.7VVDA導(dǎo)通后,VDB因反偏而截止,

VDA起鉗位作用,將Y端的電位鉗制在+2.7V。VDA

–12VYABVDBR二極管導(dǎo)通后，管子上的管壓降基本恒定。例218利用二極管的單向?qū)щ娦钥勺鳛殡娮娱_關(guān)vI1vI2二極管工作狀態(tài)D1D2v00V0V導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通截止截止0V5V5V0V5V5V0V0V0V5V求vI1和vI2不同值組合時(shí)的v0值（二極管為理想模型）。解：例319兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V電路如左圖D1承受電壓為－6V流過D2

的電流為求：UABBD16V12V3kAD2UAB+–－6V0V－12V例420VRVmvit0Vi>VR時(shí)，二極管導(dǎo)通，vo=vi。Vi<VR時(shí)，二極管截止，vo=VR。理想二極管電路中vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。解：例521二極管限幅電路:已知電路的輸入波形為vi,二極管的UD

為0.6伏，試畫出其輸出波形。解：Vi>3.6V時(shí)，二極管導(dǎo)通，vo=3.6V。Vi<3.6V時(shí)，二極管截止，vo=Vi。例622理想二極管電路中vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。V1vit0VmV2Vi>V1時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，Vo=V1。Vi<V2時(shí)，D2導(dǎo)通、D1截止，Vo=V2。V2<Vi<V1時(shí)，D1、D2均截止，Vo=Vi。例723二極管的應(yīng)用:畫輸出電壓波形.RRLuiuRuotttuiuRuo例824本課應(yīng)重點(diǎn)掌握的內(nèi)容理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?.了解二極管的基本構(gòu)造、工作原理;掌握二極管的特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；3.會(huì)分析含有二極管的電路；結(jié)束251.3特殊二極管穩(wěn)壓二極管+-1、穩(wěn)壓二極管符號(hào)UIUZIZ2、穩(wěn)壓二極管特性曲線當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當(dāng)工作電流IZ在Izmax和

Izmin之間時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓IZmaxIZmin263.主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。(3)動(dòng)態(tài)電阻(2)穩(wěn)定電流IZ

、(4)最大允許耗散功率PZM=UZIZMaxrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。UIUZIZIZmaxIZmin最大穩(wěn)定電流IZMax、最小穩(wěn)定電流IZmin

27穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用IRIzILUZ穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5k~4k，是否還能穩(wěn)壓？28UZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)IL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）IR=(ui-UZ)/R=(12-10)/0.2=10(mA）

IZ=IR-IL=10-5=5（mA）RL=1.5k,IL=10/1.5=6.7（mA）,IZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,IL=10/4=2.5（mA）,IZ=10-2.5=7.5（mA）負(fù)載變化,但I(xiàn)Z仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用IRIzILUZ29光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。符號(hào)光電二極管光電二極管電路IU照度增加發(fā)光二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管電路30頻率：高頻管、低頻管功率：材料：小、中、大功率管硅管、鍺管類型：NPN型、PNP型半導(dǎo)體三極管是具有電流放大功能的元件1.3半導(dǎo)體三極管31晶體三極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)發(fā)射結(jié)

集電結(jié)基極發(fā)射極

集電極發(fā)射區(qū)基區(qū)

集電區(qū)32三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏UB<UE集電結(jié)反偏UC<UB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏UB>UE集電結(jié)反偏UC>UB

33

測(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++34各電極電流關(guān)系及電流放大作用

IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實(shí)質(zhì):用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化，是CCCS器件。35發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子IEIB電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子

電子流向電源正極形成ICICNPN電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成發(fā)射極電流IEEB正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成IBVCCRCVBBRB三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律361.三極管的輸入特性IB

=f(UBE)UCE=常數(shù)三、三極管的特性曲線IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。NPN型硅管

UBE0.6-0.7VPNP型鍺管

UBE0.2--0.3V（以硅管為例）37IB

=40μAIB

=60μAUCE

0IC

IB增加IB

減小IB

=20μAIB=

常數(shù)IC

=f

(UCE)2.三極管的輸出特性放大區(qū)IB=

0μA截止區(qū)飽和區(qū)381.放大區(qū)（線性區(qū)）IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A特點(diǎn)：滿足IC=IB；IC受IB的控制；IC和UCE無關(guān)，呈現(xiàn)恒流特性。稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。39IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A特點(diǎn)：此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IC不再受IB的控制;IB>IC,IC飽和;UCES0.3V稱為飽和壓降。2.飽和區(qū)條件:發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏.40IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中特點(diǎn):IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。3.截止區(qū)條件:發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反偏.41輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):(1)放大區(qū)

IC=IB,且

IC=

IB

，BE結(jié)正偏，BC結(jié)反偏(2)飽和區(qū)

IC達(dá)飽和，IC與IB不是倍的關(guān)系，IB>IC

。BE結(jié)正偏，BC結(jié)正偏，即UCEUBE

（UCE0.3V

，UBE0.7V）

(3)截止區(qū)

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0（ICEO穿透電流，很小，A

級(jí)）

42

測(cè)量三極管三個(gè)電極對(duì)地電位，試判斷三極管的工作狀態(tài)。

放大截止飽和截止:發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反偏。飽和:發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。例1：放大:發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。43

測(cè)得VB=4.5V、VE=3.8V、VC=8V，試判斷三極管的工作狀態(tài)。放大例2：44

測(cè)量放大電路中的三極管三個(gè)電極對(duì)地電位，試判斷三極管管腳、類型、材料。-+正偏反偏-++-正偏反偏+-放大Vc>Vb>Ve放大Vc<Vb<Ve例3：45

測(cè)量放大電路中的三極管兩個(gè)電極的電流，試判斷三極管管腳、類型。例4：46半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)

表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：

和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20-200之間。47在UCE=6V時(shí)，在Q1點(diǎn)IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點(diǎn)IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點(diǎn)，有由Q1和Q2點(diǎn)，得例5：482.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。49ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)ICUCEO4.集電極最大允許電流ICM

集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

當(dāng)集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開路時(shí)的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.集電極最大允許耗散功耗PCMPCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會(huì)燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結(jié)溫約為150C，鍺管約為7090C。50本課應(yīng)重點(diǎn)掌握的內(nèi)容了解三極管的基本構(gòu)造、工作原理;2.掌握三極管的特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；3.掌握判斷三極管的狀態(tài)的方法；結(jié)束51525354結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)晶體三極管是由一種載流子導(dǎo)電的、用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有自由電子導(dǎo)電的N溝道器件和空穴導(dǎo)電的P溝道器件。

按照?qǐng)鲂?yīng)三極管的結(jié)構(gòu)劃分，有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管兩大類。

1.結(jié)構(gòu)1.5場(chǎng)效應(yīng)管552.工作原理

N溝道PN結(jié)

N溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，在柵極與源極之間加負(fù)電壓，柵極與溝道之間的PN結(jié)為反偏。在漏極、源極之間加一定正電壓，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)由源極向漏極漂移，形成iD。iD的大小受UGS的控制。P溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，極性相反，溝道中的多子為空穴。562.工作原理57MOS管（1）結(jié)構(gòu)PNNGSDP型基底兩個(gè)N區(qū)SiO2絕緣層金屬層N溝道未預(yù)留N溝道增強(qiáng)型預(yù)留N溝道耗盡型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MetalOxideSemiconductor（2）符號(hào)N溝道增強(qiáng)型N溝道耗盡型58（3）工作原理PNNGSDN溝道增強(qiáng)型N溝道耗盡型59N溝道MOS管的特性曲線IDmAVUDSUGS

實(shí)驗(yàn)線路(共源極接法)GSDRDPNNGSD60NMOS場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性N溝道耗盡型（UGS=0時(shí)，有ID）GSD0UGS（off）IDUGS夾斷電壓UGS有正有負(fù)N溝道增強(qiáng)型（UGS=0時(shí)，ID=0

）GSDIDUGSUGS（th）開啟電壓UGS全正IDSS61UGS=3VUDS（V）ID（mA）01324UGS=4VUGS=5VUGS=2VUGS=1V開啟電壓UGS（th）=1V固定一個(gè)UDS，畫出ID和UGS的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線增強(qiáng)型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線62耗盡型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線UGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夾斷電壓UP=-2V固定一個(gè)UDS，畫出ID和UGS的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線63跨導(dǎo)gmUGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2Vgm=

ID/

UGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V

UGS

ID夾斷區(qū)可變電阻區(qū)恒流區(qū)64本章重點(diǎn)掌握的內(nèi)容結(jié)束理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕龢O管的電流放大作用；了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；會(huì)分析含有二極管的電路；了解場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。注意:對(duì)于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用。656667增強(qiáng)型MOS管特性絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型68耗盡型MOSFET的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型69場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)

1.開啟電壓UGS(th)

開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。