1、,第一节晶体二极管,第二节晶体三极管,第三节场效应晶体管,本章小结,第一章半导体器件,一、PN 结,（2）导体：导线内芯使用的铜、铝、铁等金属物质，内部存在大量带负电荷的载流子自由电子，它们的导电能力强，电阻率小于 10-4 m，称为导体。,第一节晶体二极管,（3）绝缘体：导线外皮使用的橡胶、塑料、陶瓷等物质，内部几乎无载流子，很难传导电流，称为绝缘体。,（1）载流子：可以传导电流的带电粒子。,1本征半导体,（4）半导体：硅、锗等物质的导电性能，优于绝缘体而劣于导体，称为半导体。,特点：有两种载流子。, 自由电子：带负电荷。, 空穴：带正电荷。,第一节晶体二极管,（5）本征半导体的导电特性,本
2、征半导体：纯度在 99.999 999 9% 以上。在外电场的作用下，两种载流子将做相向运动，形成电子电流和空穴电流，总电流为两者之和。, 掺杂特性在本征半导体中掺入微量其他元素，其导电能力将显著提高。, 热敏特性和光敏特性加热或光照时，本征半导体的导电能力显著提高。,2杂质半导体,（2）N 型半导体：在本征硅或锗半导体中，掺入微量 5 价元素杂质（磷、砷）主要靠电子导电的半导体。,（1）P 型半导体：在本征半导体中，掺入微量 3 价元素杂质（硼、铜）主要靠空穴导电的半导体。,即：空穴是多数载流子，电子是少数载流子。,说明：无论是 P 型还是 N 型半导体，其中的正、负电荷量总量是相等的，因而
3、整个半导体保持电中性。且在杂质半导体中，少子浓度虽然很低，但它对温度非常敏感，将影响半导体器件的性能；这是因为温度变化将使本征激发“自由电子空穴对”数量明显增减。至于多子，因其浓度基本上等于杂质浓度，故受温度影响不大。,即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,第一节晶体二极管,第一节晶体二极管,3PN 结,PN 结：在 P 型（或 N 型）半导体中，运用掺杂工艺，使其一部分转换为 N 型（或 P 型）。在 P 型区和N型区的交界面附近，就形成一个不易导电的薄层，称为 PN 结。,第一节晶体二极管,4PN 结的单向导电性,（1）正向偏置P 型区接电源正极，N 型区接电源负极。,正偏电压产生的外
4、电场抵消了一部分内电压，使内电场的阻碍作用被削弱，两侧多子的相向扩散运动相对增强，少子的相向运动相对减弱，通过PN 结的净电流大于零。,正向电流：PN 结正偏时，通过 PN 结的电流，主要由多子的扩散运动形成，称为正向电流。,第一节晶体二极管,负偏电压形成的外电场与内电场方向一致，增强了内电场，仅有少子作漂移运动，形成很小的反向电流，一般为纳安（nA）或微安（A）量级。如图所示。,结论：“正偏导通，反偏截止”的导电特性，称为 PN 结的单向导电特性。,（2）反向偏置P 型区接电源负极，N 型区接电源正极。,第一节晶体二极管,（2）特点,（1）外形,PN 结的面积小，故结电容小，允许通过的电流也
5、小，适于作高频检波和脉冲数字电路中的开关等。,1点接触型二极管,二、二极管的结构,第一节晶体二极管,（2）特点,（1）外形,2面结合型二极管,PN 结的面积大，故结电容大，允许通过的电流也大，适用于整流等低频、大功率电路。,第一节晶体二极管,3二极管的图形符号,箭头所指即二极管正偏导通时的电流方向。字母 VD 为二极管的文字符号。,第一节晶体二极管,通过二极管的电流 I 与其两端外加电压 V 的关系，称为二极管的伏安特性。,三、二极管的伏安特性,实验电路,第一节晶体二极管,图示为测量二极管的正向特性电路。调节 RP 使二极管两端的正偏电压从零开始逐点增加，读出每一点电压表和毫安表指示的正向电压
6、 VF、正向电流 IF 数据对，列出正向特性数据表。,第一节晶体二极管,以横坐标表示电压 V，纵坐标表示电流 I 的直角坐标平面，作出一系列与上述数据相对应的点，描出光滑曲线，即为二极管的伏安特性曲线。图示为锗二极管和硅二极管的伏安特性曲线。,图示为测量二极管的反向特性电路。通过逐点测量，记录下各点反向电压 VR、反向电流 IR 数据对，列出反向特性数据表。,第一节晶体二极管, 死区：当正向电压较小时，正向电流极小，二极管呈现很大的电阻，此部分称为死区。,1正向特性, 正向导通：当外加电压大于死区电压后，电流随电压增大而急剧增大，二极管导通。电流IF 与电压 VF 呈非线性关系。,导通电压：硅
7、管约 0.7 V，锗管约 0.3 V。,死区电压：硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V。,第一节晶体二极管,2反向特性,反向饱和电流：当加反向电压时，二极管反向电流很小，而且在很大范围内不随反向电压的变化而变化，故称为反向饱和电流。,反向电击穿：若反向电压不断增大到一定数值时，反向电流就会突然增大，这种现象称为反向电击穿。电击穿时的反向电压值称为反向击穿电压。,热击穿：二极管击穿时，若不限制电流，由电击穿转变为热击穿，将造成永久性损坏。,3反向击穿特性,第一节晶体二极管,四、二极管的主要参数,二极管未击穿时的反向饱和电流，其值愈小，二极管的单向导电性愈好。,（2）最高反向工作电压 VRM,二
8、极管正常使用时允许加的最高反向峰值电压。,（3）反向电流 IR,1直流参数,（1）最大整流电流 IFM,二极管长时间工作时允许通过的最大正向平均电流。其大小由 PN 结的结面积和散热条件决定。,第一节晶体二极管,二极管 PN 结的等效电容。这个参数愈小，二极管的高频特性愈好。,2交流参数,这个参数给出了二极管工作频率的上限值。,（2）最高工作频率 fM,（1）极间电容 Ci,第一节晶体二极管,1整流与稳压电路,五、二极管的应用,第一节晶体二极管,整流与稳压是直流电源设备的组成电路。,稳压电路作用：克服电网电压波动和输出负载变化的影响，以输出稳定的直流电压，同时进一步抑制滤波电路未曾滤净的纹波电
9、压。,整流电路作用：整流电路将交流电压变换为直流脉动电压。,（1）整流电路,当 为正半周时，二极管导通；负半周时，二极管截止。输出为半周的脉动电压。,第一节晶体二极管, 稳压原理,（2）稳压电路,稳压管反向击穿后的伏安特性十分陡峭。通过稳压管的IZ 电流有很大变化时量 IZ时，其端电压 VZ 的变化量VZ 却很小。如图所示。,第一节晶体二极管,当输入电压 VI 不变，负载 RL变化时，如 RL 减小， VO 将随之减小，, 稳压过程,注意：选取限流电阻 R 时，要注意负载电流最大时，应当使稳压管中的实际电流大于最小稳定电流 Imin。,由于稳压二极管 VZ 与负载 RL 并联，故称为并联式稳压
10、电路。,当负载 RL 不变，输入电压 VI 变化时，如 VI 升高，则,第一节晶体二极管,限幅电路又称削波电路，常用来限制输入信号的幅值。图为二极管双向限幅电路。,2限幅电路,第一节晶体二极管,例 1-1 在图中，R = 2 k，二极管均为硅管。试计算分别为 0 V、5 V、10 V 时，VO 的数值各是多大？,解：当 VI = 0 V 时，二极管 VD1、VD2 两端偏压为零，二极管截止， VO = 0 V。,当 VI = +5 V、+10 V 时，二极管 VD1 正偏导通，VD2 反偏截止， VO 0.7 V。,第一节晶体二极管,结论：无论 VI 是正值还是负值，当它在一个较大数值范围内变
11、化时，输出电压的绝对值均不大于0.7 V。,当 VI = -5 V、-10 V 时，二极管 VD1 反偏截止，VD2 正偏导通， VO -0.7 V。,（1）结构和图形符号,当外加正偏电压时，P 型区和 N 型区的多子在相向扩散、相互复合过程中消耗电能，并释放光子，从而发光。LED 发光的颜色，主要取决于半导体材料所掺杂质，有绿、黄、红等多种。,1发光二极管,发光二极管（LED）是将电能转换为光能的半导体器件。,六、其他二极管,第一节晶体二极管,（2）应用,发光二极管广泛用来构成各种显示器件。图（a）为七段数码显示器的电路构成。图（b）为典型外形和段排列。可显示“0”到“9”十个数字。,第一节
12、晶体二极管,利用发光二极管点阵构成的显示屏幕，还可以显示各种静态或动态文字、符号和图像等。如图（c）所示。,第一节晶体二极管,2光电二极管,光电流：由于光照射而形成的电流。大小与光照的强度和光的波长有关。,特性：光电二极管是一种将光信号转变成电信号的半导体器件。光电二极管工作在反向偏置状态。,第一节晶体二极管,3光电耦合器,光电耦合器是由发光器件和光敏器件封装在一起的组合器件。,应用：在自动控制系统中，光电耦合器常用来将控制单元的“弱电”部件与被控制单元的“强电”接口部件之间进行电隔离，以确保系统安全、可靠。,特性：光电耦合器是用光传输信号的电隔离器件。,第一节晶体二极管,一、三极管的结构,1
13、外形和分类,第二节晶体三极管,（1）按半导体材料分：硅管和锗管。,（2）按频率分：低频管和高频管。,（3）按功率分：小、中和大功率管。,（5）按外形分：外引线型和贴片型。,（4）按用途分：普通管和开关管。,第二节晶体三极管,第二节晶体三极管,2结构及符号,在一块半导体基片上制作两个极近的 PN 结，即构成三极管的管芯。两个 PN 结把整个半导体分成三部分，按排列顺序，有 NPN 型和 PNP 型两种结构。,第二节晶体三极管,三极：发射极 e、基极 b、集电极 c。,三区：发射区、基区、集电区。,发射极箭头所指是发射结正偏导通时的电流方向。VT 是三极管的文字符号。,两结：发射结、集电结。,第二
14、节晶体三极管,二、三极管的工作原理,三极管工作时，必须给它的发射结和集电结加偏置电压。用作放大信号时，必须使发射正偏、集电结反偏。,1三极管的工作电压,第二节晶体三极管,第二节晶体三极管,VBB：发射结正偏电源。,VT：三极管。,Rc ：集电极电阻。,Rb：基极偏置电阻。,VCC：集电结反偏电源。,第二节晶体三极管,2三极管电路的三种组态,（1）共发射极组态,以基极为输入端，集电极为输出端，发射极为输入回路与输出回路的公共端，如图所示。,第二节晶体三极管,以发射极为输入端、集电极为输出端，基极为输入回路与输出回路的公共端。如图（b）所示。,（2）共基极组态,第二节晶体三极管,以基极为输入端、发
15、射极为输出端，集电极为输入回路与输出回路的公共端。如图（c）所示。,（3）共集电极组态,第二节晶体三极管,3三极管的电流分配和放大作用,（1）三极管的电流分配关系,调节 RP，通过三个电流表可分别观测基极电流、集电极电流和发射极电流的变化。,第二节晶体三极管,表 1-4三极管中各电流的实测数据, 基极电流 IB 很小，集电极电流 IC 与发射极电流 IE 近似相等，即,电流分配关系, 基极电流 IB 与集电极电流 IC 之和恒等于发射极电流 IE，即,第二节晶体三极管, IE = 0， IB = 0 时的两种特殊情况,（a）发射极开路（ IE = 0）,IB 与 IC 相等。发射极开路时的集电
16、极基极反向饱和电流记作 ICBO ，如图（a）所示。,第二节晶体三极管,（b）基极开路（IB = 0）,ICEO ICBO ，它们都很小且随温度的升高而增大。ICEO 、ICBO 越小，三极管的温度稳定性越好。硅管的ICEO 、ICBO 的均比锗管小得多，因此温度稳定性比锗管好。,IC = IE。基极开路时的集电极发射极电流称为穿透电流，记作 ICEO 。如图（b）所示。,第二节晶体三极管,（2）三极管的电流放大作用, 小电流控制大电流,较小的基极电流 IB 控制着较大的集电极电流 IC 。具有直流电流放大作用。, 小电流变化控制大电流变化,基极电流 IB 的较小变化 IB 控制着集电极电流
17、IC 的较大变化IC。具有交流放大作用。,用共发射极直流电流放大系数 来表征三极管的直流电流放大能力。,第二节晶体三极管,用共发射极交流电流放大系数 来表征三极管的交流电流放大能力,若考虑穿透电流 ICBO ，则,工程中，一般不区分 和 ，统一用 表示，即,结论：三极管是一种具有电流控制作用的电子器件，简称电流控制器件。 值表征三极管的电流控制能力。,在 IC 较大范围内， 为恒值，与 IC 大小无关。,第二节晶体三极管,输入特性：在共发射极电路中，三极管基极对发射极电压 VBE 和基极电流 IB ，分别称为三极管的输入电压和输入电流， IB 与 VBE 的对应关系称为三极管的输入特性。,输出
18、特性：在共发射极电路中，三极管集电极对发射极电压VCE 和集电极电流 IC ，分别称为三极管的输出电压和输出电流， IC 与 VCE 的对应关系称为三极管的输出特性。,伏安特性：输入特性与输出特性统称为伏安特性。,三、三极管的伏安特性,第二节晶体三极管,测量三极管伏安特性实验电路如图所示。,第二节晶体三极管,1输入特性曲线,使 VCE = 0，调节 RP，测出若干组 VBE 、 IB 数据对，列出数据表。绘出特性曲线。如图中的曲线 。,分别使 VCE 为 1 V、2 V、3 V、，调节，测出若干组、数据对，列出数据表。绘出输入特性曲线。,导通电压：硅管 0.7 V，锗管 0.3 V。,三极管的
19、输入特性是非线性的。,第二节晶体三极管,2输出特性曲线,（1）截止区：IB = 0 以下的区域。三极管截止。,IB = 0 时， IC = ICEO = 0 。,（2）饱和区：输出特性曲线簇位于临界饱和线左边的区域。,饱和时VCES的值为饱和压降， VCES ：硅管为 0.3 V，锗管为 0.1 V。发射结和集电结都正偏。,IC 不随 IB 的增大而变化。,第二节晶体三极管,三极管截止时，相当于 c、e 极间“开关”被关断；饱和时，相当于 c、e 极间“开关”被接通，因此，工作于截止区和饱和区的三极管是一种无触点开关。,第二节晶体三极管,（3）放大区：位于截止区和饱和区之间的平坦直线部分。,恒
20、流特性： IB 一定，不随 VCE 变化， IC 恒定。,IC 受控于 IB ，,（4）总结：,截止区：发射结和集电结均反偏。,三极管的发射结正偏、集电结反偏。,饱和区：发射结和集电结均正偏。,放大区：发射结正偏，集电结反偏。,第二节晶体三极管,解：忽略三极管的 ICBO。,例 1-2已知三极管的输出特性曲线如图所示。设 VCE = 6 V，求时的 值。,第二节晶体三极管,解：,图（a）中 UBE = 0.7 V，等于硅管发射结导通压降;UBE = 0.3 V ， UBC = 0.7 V-0.3 V = 0.4 V 。故集电结正偏。由于发射结和集电结均正偏，故三极管工作在饱和状态。,图（b）中
21、 ，UBE = 0.7 V ， UBC = 0.7 V-6 V = -5.3 V ，故集电结反偏。由于发射结正偏，集电结反偏，故三极管工作在放大状态。,例 1-3图示三极管为硅管，各管脚对地电位如图所注，说明它们工作在什么状态。,第二节晶体三极管,四、三极管的主要参数,1共发射极电流放大系数 ,3穿透电流 ICEO,2集电极基极反向饱和电流 ICBO,选用三极管时，要求 ICEO 尽量小些。,4饱和压降 VCES,此值约为 0.3 V。,第二节晶体三极管,5开关时间,三极管输入开通信号瞬间开始到输出电流 IC 上升到最大值的 90% 所需要的时间。,在开关三极管的输入端加入如图（a）所示的矩形
22、波形开关电压时，其输出电流不再是矩形，上升沿（前沿）和下降沿（后沿）都延迟了一段时间，如图（b）所示。,（1）开通时间 ton,（2）关闭时间 toff,三极管输入关闭信号瞬间开始到输出电流 IC 降低到最大值的 10% 所需要的时间。,第二节晶体三极管,6极限参数,（1）集电极最大允许电流 ICM,（2）集电极最大允许耗散功率 PCM,集电结上允许功耗的最大值。三极管应工作在三极管最大损耗曲线图中的安全工作区。,基极开路，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。B 表示击穿，R 表示反向。工作电压如果超过此值，则会呈现电击穿，甚至热击穿而使三极管永久性损坏。,（3）集电极发射极反向击穿电压,第
23、二节晶体三极管,一、MOS 管的工作原理,1增强型 NMOS 管,第三节场效应晶体管,特点：, P 型衬底扩散两个高浓度 N 型区，引出两电极：源极 S 和漏极 D。, P 型衬底的绝缘层覆盖一层金属，引出栅极 G。, 三个电极：漏极（D），源极（S），栅极（G）。,（1）结构和图形符号,（2）工作原理,VGG、RG：栅极偏置电源和偏置电阻，产生偏置电压 VGS。,VDD、 RD：漏极电源和漏极电阻，产生漏极电流 ID，并形成合适的漏源电压 VDS 。,第三节场效应晶体管, 当 VGS = 0 时，漏极电流 ID 0，处于截止状态。, VGS VGS(th) ，产生漏极电流 ID。改变 VGS
24、 ，就可控制 N 沟道的宽度，进而控制漏极电流 ID 的大小。,结论：在同样的 VDS 作用下， VGS 越大，N 沟道越宽， ID 也越大，实现了栅源电压 VGS 对漏极电流 ID 的控制。, 正常工作时，漏源极间和栅源极间均应外加正向电压，且 VDS VGS 0。,第三节场效应晶体管,2耗尽型 NMOS 管,结构：与增强型 NMOS 管比较，不同之处在于层有大量正离子。,（1）电路和图形符号,沟道线连续为增强型；沟道线不连续为耗尽型。,符号：衬底的箭头方向表示 PN 结加正向电压时的电流流动方向。,第三节场效应晶体管,（2）工作原理, 当 VGS 0 并上升，N 沟道变宽， ID ID I
25、DSS 。, 当 VDS 0 时， VGS = 0 有 ID （称为原始漏极电流），记作 IDSS 。, 当 VGS 0 并增大负电压，N 沟道变窄， ID ID VGS(th) ， ID 0。,（2）耗尽型, VGS = 0 ， ID = IDSS （原始漏极电流）。, VGS 0， ID IDSS 。, VGS VGS(th) ， ID = 0。,第三节场效应晶体管,2输出特性,在 VGS 一定的条件下，漏极电流 ID 与漏源电压VDS 的关系。,又称变阻区， VDS 很小，若VGS不变，则 ID 基本上随 VDS 增加而线性上升，导电沟道基本不变。当 VDS 很小时， VGS 越大，沟道
26、电阻越小，MOS 管可看成为受VDS 控制的线性电阻器。,（1）非饱和区 ,（2）饱和区 ,只要 VGS 不变， ID 基本不随 VDS 变化，趋于饱和或恒定，又称恒流区。且 ID 与 VGS 呈线性关系，又称线性放大区。,第三节场效应晶体管,（3）击穿区 ,当 VDS 增大到超过漏区与衬底间的PN结所能承受的极限时， ID 急剧上升，不再受 VGS 控制。,（4）截止区, 增强型， VGS VGS(th) 导电沟道未形成。 ID = 0。, 耗尽型， VGS VGS(off)导电沟道被夹断。 ID = 0。,第三节场效应晶体管,三、MOS 管的主要参数,1直流参数,（1）开启电压 VGS(t
27、h),（2）夹断电压 VGS(off),（3）饱和漏极电流 IDSS,第三节场效应晶体管,栅源极间电压 VGS 与对应的栅极电流 IG 的比值，称为 MOS 管的直流输入电阻 RGS 。,（4）直流输入电阻RGS,2交流参数,在漏源电压 VDS 一定时，漏极电流的变化量 iD 与引起这个变化的栅源电压变化量 VGS 的比值，即,（1）跨导,单位：s 或 ms。,（2）极间电容,场效应晶体管三个电极之间的等效电容 CGS 、 CDS和CGD 。,第三节场效应晶体管,3极限参数,（2）漏源击穿电压 V(BR)DS,（1）漏极最大允许耗散功率 PDM,漏极电流 ID 开始急剧上升时所加的漏极电压 V
28、DS 值。,场效应晶体管正常工作时允许耗散的最大功率。,第三节场效应晶体管,与三极管相比，MOS 管具有以下特点：,（4）MOS 管是一种自隔离器件，它的制造工艺简单。,四、MOS 管和三极管比较,（1）三极管的输入电阻较小，而 MOS 管的输入电阻很大。,（2）MOS 管是一种单极型器件。因此，在环境变化较大的场合，采用 MOS 管比较合适。,（3）在小电流、低电压工作时，MOS 管漏源极间可等效为受栅源电压控制的可变电阻器和导通电阻很小、截止电阻很大的无触点电子开关。,第三节场效应晶体管,本章小结,2晶体二极管的核心是 PN 结，故具有单向导电性。二极管属于非线性器件，其伏安特性是非线性的
29、。二极管的门坎电压，硅管约 0.5 V ，锗管约 0.2 V。导通电压，硅管约 0.7 V ，锗管约 0.3 V。,1本征半导体内存在两种载流子：自由电子和空穴。杂质半导体有 P 型和 N 型两种，P 型半导体中空穴是多子，N 型半导体中自由电子是多子。PN 结是在 P 型半导体与 N 型半导体交界面附近形成的空间电荷区，也叫阻挡层或耗尽层 。PN 结具有单向导电性，即正偏时导通，反偏时截止。,4MOS 管是一种电压控制器件，跨导 gm 是表征栅源电压对漏极电流的控制能力的重要参数。MOS 管的优点是：输入阻抗高、受幅射和温度影响小、集成工艺简单。超大规模集成电路主要应用 MOS 管。,3晶体三极管是一种电流控制器件，它以较小的基极电流控制较大的集电极电流，以较小的基极电流变化控制较大的集电极电流变化。所谓电流放大作用，实质上就是这种“小控制大”，“小变化控制大变化”的作用。三极管有 PNP 型和 NPN 型两大类。管外有三个电极：发射极、基极和集电极；管内有两个 PN 结：发射结和集电结。使用时有三种电路组态：共发射极、共基极和共集电极组态；三种工作状态：截止状态、饱和状态和放大状态。两种基本功能：开关功能和放大功能。,
