1、第一章 半导体器件,教学目标 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,教学目标,1. 掌握: PN结的基本原理及其特性；晶体二极管的基本特性； 晶体二极管和晶体三极管器件的外形和电路符号； 三极管的电流分配关系 2.理解： 二极管的伏安特性曲线和主要参数； 三极管的放大作用和主要参数 3.了解： 半导体的基本物理知识；三极管、场效应晶体管的结构、场效应晶体管的分类,返回,第一节 晶体二极管,一、半导体的基本知识 1.什么是半导体 半导体，简言之，就是电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。用半导体材料做成的器件称为半导体管，通常也叫做晶体管。,下一页,返回,
2、第一节 晶体二极管,2.半导体的分类 按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类: 硅和锗是最常用的元素半导体 化合物半导体包括-族化合物（砷化镓、磷化镓 等）、-族化合物（硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物）、以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体（镓砷磷等）,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。 这种半导体有两种数目相等的载流子参与导电，一种是带负电荷的自由电子，一种是带正电荷的空穴，将它们合称为电子空穴对，这种由于电子一空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。 通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂
3、质半导体。根据掺入杂质的不同，可得到两种不同类型的半导体:N型半导体和P型半导体 各种半导体之间的关系如图1-1所示,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,二、PN结合晶体二极管的结构和特性 1.PN结 如果在硅或锗本征半导体中采用掺杂工艺，使半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在这两种导电性能相反的半导体交界面上，将形成一个特殊的接触面，称为PN结。如图1-2 ( a)所示。 将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在无外电场和其他激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,2.晶体二极管的
4、结构和电路符号 晶体二极管又称半导体二极管，简称二极管。它是将PN结用外壳封装起来，并从P区电极为正极，从N区引出电极为负极构成的。其结构和符号见图1-2 (b). 常见的二极管的外形如图1-3所示 3.二极管的单向导电性 （1）正向特性 二极管正极接高电位，负极接低电位，二极管导通，正向偏置。但是只有当正向电压达到某一数值时（“门槛电压”）二极管才能真正导通,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,（2）反向特性 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。 二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向
5、电流流过二极管，称为漏电流。 当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,4.二极管的伏安特性曲线 加在二极管两端的电压VD和流过二极管的电流ID的关系曲线称为伏安特性曲线 (1)二极管的正向特性 曲线如图1-4中第一象限所示，主要特点是： 正向电压较小时，二极管处于截止状态，OA段，称这一段为死区 当正向电压超过Vth后，电流随电压迅速增长。正向电流开始急剧增大时管子两端压降变化不大，称为饱和压降,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,(2)二极管的反向特性 曲线如图1-4中第
6、三象限所示，主要特点是： 二极管加反向电压时，PN结反偏，形成很小的反向电流IR （3）反向击穿特性 当反向电压增大到超过某一直时，反向电流突然急剧增大，这种现象为反向击穿 反向击穿后，电流过大会使管子损坏。因此除稳压管外，正常使用的二极管，是不允许出现这种现象的。,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,三、晶体二极管器件的参数及分类 1.二极管的主要参数 (1)最大整流电流IFM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。当电流超过这个允许值时，二极管会因过热而烧坏，使用时务必注意。 (2)最高反向工作电压VRM 指二极管在使用时允许加上的最高反向电压。如果超
7、过此值二极管可能被击穿。一般是反向击穿电压的1/2或2/3。,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,(3) 反向电流IR 又称反向漏电流，它是指二极管在加上反向电压时的反向电流值。反向电流大，说明单向导电性能差，并且受温度的影响大。 (4)最高工作频率fM ：fM 是保证二极管能起单向导电性时的最高工作频率。如果通过二极管的电流的频率大于此值，它将影响二极管的单向导电性。,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,2.二极管的分类 (1)按材料不同，一般分为硅二极管和锗二极管。 (2)按内部结构不同，一般分为点接触型和面接触型。如图1-5所示。 (3)按用途不同，一般分为普通二极管和特殊二
8、极管。 普通二极管是利用二极管的单向导电性进行整流、检波、控制的二极管，包括整流二极管、检波二极管和开关二极管等; 特殊性能的二极管，如稳压二极管、变容二极管、发光二极管和光敏二极管等。,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,四、特殊二极管及它们的应用 1.稳压二极管与应用 稳压二极管也称为齐纳二极管，它是一种用特殊工艺制造的硅二极管，当它的反向电压逐步增大到一定数值时反向电流激增的现象称为齐纳现象。也就是说稳压二极管是使用反向电流工作的元件。其电路符号和外形如图1-6所示。 伏安特性曲线如图1-7所示。 图1-8所示为稳压二极管常用的稳压电路示意图,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极
9、管,2.变容二极管与应用 变容二极管也叫可变电容二极管，它是利用PN结的电容效应，采用特殊工艺使结电容随反向电压变化比较灵敏的特殊二极管。正常工作时，变容二极管两端应接反向电压 变容二极管的电路符号以及结电容与反偏电压的关系如图1-9所示。变容二极管被应用于无线传声器和电视机的高频头电路等方面。 图1-10所示是一个利用变容二极管实现电调谐的电路。,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,3.发光二极管与应用 发光二极管简称为LE D，它和普通二极管一样，具有单向导电性能。当它正向导通时，PN结中空穴和电子互相扩散时会发生碰撞，碰撞时产生的能量发光。根据材料的不同，能发出红、绿、黄等儿种颜色
10、的可见光，还能发出人眼看不见的红外光。它的电路符号和外形如图1-11( a)所示。发光二极管用极小的功率，便可获得明亮的光辉，另外，因为能够快速亮灭，所以除了作指示灯外，它还可当做发光源使用。如图1-11(b)所示。,下一页,返回,上一页,第一节 晶体二极管,4.光敏二极管和光藕合器及应用 光敏二极管是将光信号变成电信号的器件，它的电路符号和外形如图1-12所示。光敏二极管在反向电压下工作，管壳上有一个能透过光线的窗口，当不受光照时，通过二极管的反向电流很小;当光照时，激发了大量的载流子参与导电，使反向电流显著增加，这个电流称为光电流，它的大小与光照的强度和波长有关。光敏二极管主要用在自动控制
11、中。 当我们把发光元件(发光二极管)和光敏元件沁IL敏二极管、一起，就组成另外一种器件光耦合器。广泛地应用于测量检测、通信和计算机领域，如图1-13所示。,返回,上一页,第二节 晶体三极管,一、晶体三极管的结构和类型 它是具有三个电极的半导体器件，三个电极分别叫发射极、基极和集电极，分别用字母e,b,c表示 内部有两个PN结，这两个PN结把整个半导体基片分成三个区域:发射区、基区和集电区。 发射结、集电结。 三极管分为NPN型和PNP型。其结构示意图及电路符号如图1-14和图1-15所示,下一页,返回,第二节 晶体三极管,三极管的种类很多。 按工作频率分，有高频管、低频管; 按功率分，有小功率
12、管、大功率管; 按用途分，有放大管、开关管; 按半导体材料分，有硅管、锗管等。 由于三极管的功率大小不同，因此它的体积和封装形式也不同。三极管常采用玻璃、陶瓷、金属或塑料进行封装。)常用三极管的外形如图1-16所示,下一页,返回,上一页,第二节 晶体三极管,二、三极管的电流分配关系和放大作用 1.放大的条件 三极管的主要功能是放大电信号。要使三极管对微小信号起到放大作用，则必须保证外加的电压使发射结正向偏置，集电结反向偏置。如图1-17所示的接线。 2.三极管的电流放大作用 为了观察三极管各极电流的流向和大小关系，让我们先做个实验(以NPN管为例)。三极管各极电流测量电路图如图1-18所示。测
13、试结果记录在表1-1中,下一页,返回,上一页,第二节 晶体三极管,分析实验数据，可得到如下结论: 1)三极管的中流分配关系满足IB+IC=IE 表明r三极管的电流分配规律，即发射极电流恒等于基极电流和集电极电流之和。无论是NPN型管还是PNP型管，均符合这一规律。由于基极电流很小，因而 IEIC 在PNP型管中，IE流入三极管，IB IC流出三极管，如图1-19所示,下一页,返回,上一页,第二节 晶体三极管,(2)三极管的电流放大作用。 在图1-18所示电路中，信号从基极与发射极之间输入，从集电极和发射极输出，因此发射极是输入、输出回路的公共端，这种放大电路称为共发射极接法。将输出集电极电流I
14、C与输入基极电流IB的比值称为直流电流放大系数 ，定义式为 =Ic/IB IC与 IB的比值称为电流放大倍数放大系数 ，即 = IC/ IB 在实际放大电路中，除共发射极连接方式外，还有共集电极和共基极连接方式，如图1-20所示。,下一页,返回,上一页,第二节 晶体三极管,三、三极管的特性曲线 首先将一个三极管接成如图1-21( a)所示电路，左边的闭合回路称为输入回路，右边的回路称为输出回路，放大后的信号由Rc取出。该电路输入与输出回路以发射极为公共端，故为共射电路。图1-21(b)和1-21( c)分别为NPN管的输入特性曲线和输出特性曲线。,下一页,返回,上一页,第二节 晶体三极管,根据
15、输出特性曲线，三极管的工作状态可分为三种情况: 截止区。外加电压使发射结和集电结均反偏，管子进入截止区。在特性曲线中IB= 0以下的区域称为截止区。它的特点是相当于一个开关处于断开状态，在此区域三极管失去电流放大能力。 饱和区。外加电压使发射结正偏，集电结也正偏。三极管已失去放大能力，此区域的三极管相当于闭合的开关。 放大区。截止区与饱和区中间的部分就是放大区。外加电压使三极管发射结正偏，集电结反偏。,下一页,返回,上一页,第二节 晶体三极管,从上述分析可得出，三极管工作在饱和与截止区时，具有“开关”的特性，可应用于脉冲数字电路中;三极管工作在放大区时可应用在模拟电路中起放大作用，所以三极管具
16、有“开关”和“放大”功能。例1-1测得三极管各极对地电位如图1-22所示，试判断三极管工作在什么区域? 等效图见1-23,下一页,返回,上一页,第二节 晶体三极管,四、三极管的主要参数 1.质量参数 （1）电流放大系数, （2）集中极-发射极反向饱和电流ICEO 是指三极管基极开路时，集电极与发射极之间加上一定的电压时集电极的电流。它反映PN结的反向电流。该值是衡量三极管稳定性能的主要标志。若此值太大，则该管不宜选用。,下一页,返回,上一页,第二节 晶体三极管,2.极限参数 极限参数是指管子工作时，不允许超过的参数，否则管子性能下降或损坏。常见的极限参数主要有: (1)集电极最大允许电流ICM
17、 ：当集电极电流超过此值时，三极管的值就要下降，到正常值的2/3。 (2)集一射反向击穿电压V(BR)CEO 指基极开路时，加在集电极和发射极之间最大允许工作电压 (3)集电极最大允许功耗PCM ：这个参数决定了三极管的温升，若超过此值，三极管会因过热而损坏。,下一页,返回,上一页,第二节 晶体三极管,3.频率参数特征频率fT 三极管的值下降到1时所对应的信号频率称为特征频率，用fT 表示。它是表征三极管高频特性的重要参数。三极管在此频率下工作，将失去电流放大作用。,返回,上一页,第三节 场效应晶体管,场效应晶体管(Filed Effect Transistor , FET)(以下简称场效应管
18、)由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。 优点：输入电阻高、噪声低、功耗小等 根据场效应晶体管结构和原理的不同，可分为图1-24所示的几种类型。,下一页,返回,第三节 场效应晶体管,一、结型场效应晶体管 结型场效应晶体管的符号如图1-25所示。 结型场效应晶体管根据导电沟道的不同，分成N沟道和P沟道两种 二、绝缘栅型场效应晶体管 1.符号和分类 绝缘栅型场效应晶体管(简称绝缘栅型场效应管)又称它为MOS管。 符号如图1-26所示。 绝缘栅型场效应管分为增强型和耗尽型两大类,下一页,返回,上一页,第三节 场效应晶体管,2.结构 下面以N沟道增强型MOS场效应晶体管
19、为例 它在一块低掺杂的P型硅片上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺打散两个高掺杂的N型区，并引出两个电极，分别是漏极D和源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G， P型硅片称为衬底，用字母B表示。 由图1-27可见，源区和漏区之间被P型衬底隔开，形成两个反向连接的PN结,下一页,返回,上一页,第三节 场效应晶体管,三、场效应晶体管的主要参数 （1）跨导gm 表示栅源电压对漏极电流的控制能力（2）饱和漏电流IDS(sat)指结型场效应晶体管和耗尽型MOS管在栅源短路条件下，加漏源电压所形成的漏极电流。 (3)开启电压 （4）夹断电压 （5）源漏击穿电压,下一页,返回,上一
20、页,图1-1 各类半导体之间的关系,返回,图1-2（a） 二极管的结构和符号,返回,图1-2(b) 二极管的结构和符号,返回,图1-3 常见二极管的外形,返回,图1-4 二极管的伏安特性曲线,返回,图1-5 点接触型和面接触型二极管,返回,图1-6 稳压二极管的电路符号和外形,返回,图1-7 稳压二极管的伏安特性曲线,返回,图1-8 稳压二极管的应用,返回,图1-9 变容二极管的符号和结电容的变化,返回,图1-10 电调谐的电路,返回,图1-11 发光二极管的符号图形和应用,返回,图1-12 光敏二极管的符号和外形,返回,图1-13 光耦合器,返回,图1-14 NPN型三极管示竟图及电路符号,
21、返回,图1-15 PNP型三极管示竟图及电路符号,返回,图1-16 几种晶体三极管的外形和封装,返回,图1-17 NPN管工作时的供电,返回,图1-18 三极管电流分配实验电路,返回,表1-1三极管三个电极上的电流分配,返回,图1-19 三极管电流方向,返回,图1-18 三极管电流分配实验电路,返回,图1-20 三极管三种连接方式,返回,图1-21 三极管特性曲线,返回,图1-22 例1-1,返回,图1-23 例1-1等效图,返回,图1-24 场效应晶体管类型,返回,图1-25 结型场效应晶体管符号,返回,图1-26 绝缘栅场效应晶体管符号,返回,图1-27 N沟道增强型MOSFET结构,返回,
