1、19.6.28,1,第四章 常用半导体分立器件 Diode, Transistor,半导体的基本知识与PN结 半导体二极管及其应用电路 双极型三极管 绝缘栅型场效应管,19.6.28,2,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,学习要求：,3,
2、19.6.28,4.1 半导体的基本知识与PN结,一、 半导体的基本知识,体积小、重量轻、寿命长、能耗低。,1. 半导体 器件的特点,2. 物质的分类（按其导电能力的大小）,导体 如：金、银、铜、锡,电阻率, 10-4cm 绝缘体 如：橡胶、陶瓷、塑料、木制品等 1012cm 半导体 如：锗、硅、砷化镓，一些硫化物和氧化物 （导电性能介于导体与绝缘体之间，受温度、光照和掺杂程度影响极大。） 10-3cm 109cm 半导体（根据纯度的不同）可以分为 本征半导体, 杂质半导体,19.6.28,4,半导体器件是构成电子线路的基本元件，所用的材料是经过特殊加工且性能可控的半导体材料。在大规模集成电路
3、（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）中主要使用硅（Si）和砷化镓（GaAs）材料。 第一代半导体材料 以Si，Ge为代表； 第二代半导体以GaAs, InP为代表；， 第三代半导体：III族氮化物半导体材料（GaN）,硅谷、集成电路 Silicon valley Integrated circuit,电子器件所用的半导体具有晶体 结构，因此把半导体也称为晶体。,19.6.28,5,纯净的、具有晶体结构 的半导体。,3. 本征半导体,4个价电子,将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。,共价键,价电子：最外层原子轨道上的电子。,4.1半导体的基本知识与PN结,19.6.28,6,共
4、价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子(Bonded Electron)，束缚电子很难脱离共价键成为自由电子(Free)，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,在绝对零度（即T0）和 无外界激发时，硅和锗晶体中 由于没有传导电流的导电粒 子存在，所以不能导电。,19.6.28,7,本征激发在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴(Hole)。 因热运动产生自由电子空穴对的现象称本征激发（Excitation, 又称热激发）。,自由
5、电子,空穴,4.1半导体的基本知识与PN结,19.6.28,8,两种载流子: 能够导电的电荷称为载流子(current or charge carrier)。 本征半导体中有数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。 空穴导电的实质是价电子依次填补空位的运动。,19.6.28,9,本征浓度复合自由电子和空穴在热运动中相遇而释放能量，电子空穴成对消失。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,注意：(1)在常温下，本征半导体中载流子浓度: Si：ni= pi=1.51010/cm3，Ge： ni= pi=2.51013
6、/cm3, 与原子密度（约为1022/cm3量级）相比，是微不足道的（1/3.31012 ），故本征半导体的导电性很弱，不能直接用于制造半导体器件。 (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,4.1半导体的基本知识与PN结,19.6.28,10,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性
7、：当环境温度升高时，导电能力显著增强,19.6.28,11,4. 杂质半导体(Impurity),在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。 即使得自由电子和空穴的数量差别极大，且其导电性能由杂质的类型和掺杂的数量支配，而不再取决于温度。 使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（p-type or P-semiconductor 空穴半导体）。,4.1半导体的基本知识与PN结,19.6.28,12,N型半导体 掺入5价元素如砷（As）、磷（P）,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导
8、体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在N 型半导体中自由电子是多数载流子（多子,majority carrier） ，空穴是少数载流子（少子,minority） 。,19.6.28,13,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,P型半导体 掺入3价原子如硼（B）、镓（Ga）,4.1半导体的基本知识与PN结,19.6.2
9、8,14,杂质半导体的示意表示法,19.6.28,15,二、 PN结及其单向导电性,1. 半导体中的电流,(1)扩散电流(diffusion current) 若半导体内载流子浓度分布不均匀（又称浓度差），因浓度差引起载流子的移动产生的电流称扩散电流。 (2)漂移电流(drift） 在电场的作用下，因电场力引起载流子的移动产生的电流称漂移电流。,1)基本概念,4.1半导体的基本知识与PN结,19.6.28,16,在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体。,（2）PN结形成的物理过程,在两种半导体交界面，离子薄层形成的空间电荷区（spacecharge r
10、egion）称为PN结。在空间电荷区，由于缺少载流子所以也称耗尽层（depletion layer)。,浓度差多子的扩散运动空间电荷区, 内电场,促使少子漂移,阻止多子扩散,动态平衡 PN结,19.6.28,17,1）PN 结加正向电压时,2. PN结的单向导电性,*外加的正向电压削弱了内电场。*PN结变薄，扩散电流加大（正向电流较大， ，正向电阻较小），漂移电流变小，从而产生正向电流 (mA)。*PN结呈现低阻性，PN结处于导通状态。,PN结加上正向电压、正向偏置的意思就是： P区加正、N区加负电压。,4.1半导体的基本知识与PN结,19.6.28,18,2）PN 结加反向电压P区加负、N区
11、加正电压,半导体的基本知识与PN结,*外加的反向电压加强了内电场。*阻挡层增强， PN结变宽，阻碍多子扩散运动。*少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流。*PN结呈现高阻性，PN结处于截止状态。,温度一定时，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，几乎与所加反向电压的无关，也称为反向饱和电流(IS) 。,19.6.28,19,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,PN结的单向导电性,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,结论：PN结具有单向导电性。,4.1半导体的基本知识
12、与PN结,20,19.6.28,4.2 半导体二极管及其应用电路,将 PN 结加上相应的电极引线和封装，就成为半导体二极管。与P区相连的电极称为阳极（用A表示；与N区相连的电极称为阴极（用K表示）,一、半导体二极管,1.电路符号,19.6.28,21,3）平面型二极管,2） 面接触型二极管,1） 点接触型二极管,结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。,PN结面积小，结电容小，正向电流小，用于检波和变频等高频路。,用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路。,半导体二极管及其应用电路,2.二极管分类(结构),4.2半导体二极管及其应用电路,19.6.28,22,反
13、向特性,加正向电压，且u VT时,VT称为死区电压。 硅管： VT0.5V， 锗管：VT0.1V。 导通时的正向压降 硅管：0.6 0.7V， 锗管：0.2 0.3V。,正向特性,1) 正向特性,2) 反向特性,当u0时，i= Is（反向饱和电流，很小，几乎为零） 。,3. 二极管伏安特性,小功率硅管：1A 小功率锗管：10100A,19.6.28,23,当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。,3）反向击穿特性,反向特性,4.2半导体二极管及其应用电路,19.6.28,24,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极
14、接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,19.6.28,25,4. 主要参数（教材P114）,2) 最高反向工作电压 UDRM保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,1) 最大整流电流 IFM二极管长时间使用时允许流过的最大正向平均电流。,3) 最大反向电流 IRM二极管上加反向工作
15、峰值电压时的反向电流值。,半导体二极管及其应用电路,用于描述二极管的导电特性，是选择和使用二极管的依据。,4.2半导体二极管及其应用电路,19.6.28,26,5. 二极管的电路模型,二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的模型分析法。,二极管导通后，管压降是恒定值。 硅管：uD0.7V， 锗管：uD0.3V。,相当于一理想开关。,2.恒压降模型,1. 理想模型,正向偏置时，二极管正向导通，管压降vD0，相当于短路；反向偏置时，二极管反向截止，电流iD0，相当于开路。,19.6.28,27,二、 二极管应用电路,在电子技术中二极管电路得到广泛应用。基本电路有限幅电路、整流电路、钳位电路、开
16、关电路等。,1.判断二极管在电路中的工作状态,常用的方法是：,2)只含一个二极管D时：先假设二极管断开，然后求得二极管阳极与阴极之间将承受的电压U,1）由于二极管的特性为非线性，通常用比较二极管2个电极的电位高低来确定其工作状态。,U导通电压，二极管正向偏置，导通，D两端的实际压降为导通压降（理想时取零）；,U导通电压，二极管反向偏置，截止；然后画等效电路分析。,4.2半导体二极管及其应用电路,19.6.28,28,3）含两个二极管时：一般可以先设一个为截止，按方法2）判断另一个；然后求被设为截止的二极管阳极阴极间电压，若大于零，则说明所设错误。 4）如果两个以上的二极管串联：则它们同时导通或
17、截止。 5）如果两个以上的二极管并联：a）共阳极时，阴极电位低的优先导通；b）共阴极时阳极电位高的优先导通。,19.6.28,29,电路如图，二极管性能理想，求：Uab,V阳 =6 V V阴 =12 VV阳V阴 二极管导通，或UAK 0; 由于二极管理想，二极管可看作短路，Uab = 6V 否则， Uab低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例4.2.1：,取 b 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,4.2半导体二极管及其应用电路,19.6.28,30,两个二极管的阴极接在一起 取 b 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳
18、 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，Uab = 0 V,例4.2.2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,图中二极管理想求：Uab,19.6.28,31,2. 整流电路,当us0，D导通，uo=us；,半波整流电路,当us0，D截止，uo=0。,设二极管理想，根据us波形，画出uo波形？,4.2半导体二极管及其应用电路,19.6.28,32,3. 限幅电路,二极管D1、D2用恒压源模型，UON=0.7V。当uSUON时，D1导通，D2截止， u
19、o=0.7V；当uS UON时，D2导通，D1截止， uo=0.7V；当| uS | UON时，D1、D2均截止， uo= us。输出电压被限幅在0.7V，称双向限幅电路。,19.6.28,33,例4.2.3,在图中，输入电位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 电阻 R 接负电源 12 V。设二极管的正向压降是 0.3V,求输出端电位 VO。,因为VA 高于VB ，所以D1 优先导通。二极管的正向压降是 0.3V，则 VO = + 2.7V。当 D1 导通后, D2 因反偏而截止。,D1起钳位作用，将输出端电位钳制在 + 2.7 V。,解：,4.2半导体二极管及其应用电路,19.6.
20、28,34,三、 特殊二极管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管，工作于反向击穿区。,1. 稳压管,稳压管反向击穿后，电流虽在很大范围内变化，但其两端的电压变化很小。稳压特性，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,半导体二极管及其应用电路,1）符号及特性,19.6.28,35,2）稳压管的主要参数：,1. 稳定电压UZ,4. 稳定电流 IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,3. 动态电阻 rZ,2. 电压温度系数 U （%/）,5. 最大允许耗散功率 PZM,稳压值受温度变化影响的系数。,4.2半导体二极管及其应用电路,19.6.28,36,电阻的作用:起限流作用，以保护稳压管；
21、当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。,3）稳压二极管应用,19.6.28,37,正常稳压时 UO =UZ,稳压条件是什么？,IZmin IZ IZmax,不加R可以吗？参见书上P116-117,当Ui为正弦波，且幅值大于UZ ， UO的波形是怎样的？,4.2半导体二极管及其应用电路,19.6.28,38,2.发光二极管,当电流流过时，发光二极管将发出光来，光的颜色由二极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几mA至几十mA之间。 另一重要作用：
22、将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号。,发光二极管的符号,19.6.28,39,3.光电二极管,（a）光电二极管的符号,（b）光电二极管的等效电路,光电二极管可将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与光照强度成正比。,4.2半导体二极管及其应用电路,40,19.6.28,4.3 双极型三极管,三极管的结构和工作原理 三极管的特性曲线和主要参数,19.6.28,41,一、半导体三极管的结构和工作原理,三极管的结构与符号 电流分配与放大作用,4.3三极管结构及原理,19.6.28,42,我国：1957年，通过还原氧化锗，锗单晶，并制作出锗晶体管。 1959年，硅（
23、Si）单晶。,半导体三极管中由于有电子和空穴两种载流参与导电，也称双极型晶体管（BJT），简称晶体管或三极管。按频率可分为：高频管，低频管；按材料可分为：硅管，锗管；按结构可分为：NPN型和PNP型。,1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管（锗管)，从而开创了人类的硅文明时代。 次年，制作出第一只Si管,19.6.28,43,1. 三极管的结构与符号,二氧化硅保护膜,铟球,铟球,半导体三极管，简称晶体管或三极管，由于有电子和空穴两种载流子参与导电，也称双极型晶体管（bipolar junction transistor, BJT）；是由2个PN结背靠背构成的：具有电流放大作用。,
24、4.3三极管结构及原理,19.6.28,44,三极管按结构可分为：NPN型和PNP型。我们主要以NPN型三极管为例来学习，一切方法和结论都可以用于PNP型。,集电极，用C或c表示（Collector）,集电区，掺杂浓度低,基极，用B或b表示（Base）,基区，薄,发射极，用E或e表示（Emitter）,发射区，掺杂浓度高,发射结(Je),集电结(Jc)，面积比发射结大,19.6.28,45,符号中，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。,NPN型与PNP型三极管的工作原理相似，只是使用时所加电源的极性不同。,4.3三极管结构及原理,19.6.28,46,用实验说明三极管的电流分配与放大作用。,
25、实验电路采用共发射极接法，NPN 型管。,为了使三极管具有放大作用，电源 EB 和 EC 的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。,改变可变电阻 RB，则基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电流 IE 都发生变化。,2.电流分配与放大作用,19.6.28,47,三极管电流测量数据,结论：,（2） IB 对IC有控制作用。,IB的改变控制IC变化，体现了三极管的电流控制作用。,直流电流放大系数：,交流电流放大系数：,工程估算中取： ，有,4.3三极管结构及原理,19.6.28,48,NPN 型三极管应满足: UBE 0 UBC VB VE,PNP 型三极管
26、应满足: UBE 0 即 VC VB VE,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的，实现放大的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压。,19.6.28,49,二、 三极管的特性曲线和重要参数,三极管的特性曲线 三极管的主要参数 三极管的其它形式,19.6.28,50,1)输入特性曲线,iB 和uBE之间的关系与二极管相似。,三极管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生 iB。,1.三极管的特性曲线,各电极u,i之间的关系曲线,导通后，硅管UBE=0.7V，锗管UBE=0.3V 。,4.3三极管结构及原理,19.6.28,51,2)
27、输出特性曲线,（1） 放大区,NPN 型管: VC VB VE,IC IB,（2） 截止区,对应IB = 0 以下的区域。,三极管要处于截止状态：发射结和集电结均处于反向偏置 。为了使三极管可靠截止，常使 UBE 0，此时, IC 0 。,PNP 型管: VC VB VE,19.6.28,52,（3） 饱和区,三极管处于饱和状态：发射结和集电结均处于正向偏置状态。在饱和区，IC 和IB 不成正比: iC iB,当三极管饱和时，UCE 0，C-E间如同一个开关的接通；当三极管截止时，IC 0 ， C-E之间如同一个开关的断开；可见，三极管除了有放大作用外，还有开关作用。,4.3三极管结构及原理,
28、19.6.28,53,三极管结电压的典型值,19.6.28,54,例4.3.1,在放大电路中测得4个三极管的各管脚对“地”电位如图所示。试判断各三极管的类型（NPN型还是PNP型，是硅管或锗管），并确定e、b、c三个电极。,4.3三极管结构及原理,19.6.28,55,分析： 1）工作于放大状态的三极管，发射结应正偏，集电结应反偏，因而NPN型有VCVBVE， PNP型有VCVBVE。可见基极电位总是居中，据此可确定基极。 2）硅管|UBE|=0.60.8V，锗管 |UBE|=0.20.4V，则与基极电位相差此值的电极为发射极，并可判断是硅管还是锗管。 3）余下一电极为集电极。 4）集电极电位
29、为最高的是NPN型管，集电极电位为最低的是PNP型管。,19.6.28,56,（c）PNP型硅管，-集电极，-基极，-发射极,（a）NPN型硅管，-发射极，-基极，-集电极,（d）NPN型锗管，-基极，-集电极，-发射极,（b）PNP型锗管，-集电极，-基极，-发射极,4.3三极管结构及原理,19.6.28,57,例4.3.2,测得电路中三极管3个电极的电位如图所示。问哪些管子工作于放大状态，哪些处于截止、饱和、倒置状态，哪些已损坏？,（a） （b） （c） （d）,（e） （f） （g） （h）,19.6.28,58,（a） （b） （c） （d）,（a）发射结、集电结均反偏，管子截止。,（
30、b）发射结反偏、集电结正偏，管子倒置。,（c）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。,（d）发射结、集电结均正偏，管子饱和。,4.3三极管结构及原理,19.6.28,59,（e）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。,（f）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。,（g）发射结偏、集电结均正偏，管子饱和。,（h）VBE=2.7V，远大于发射结正偏时的电压，故管子已损坏。,19.6.28,60,2.三极管的主要参数,（1）电流放大系数,直流放大系数,交流放大系数,在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下,可近似认为,4.3三极管结构及原理,19.6.28,61,（2）极间反向电流,1）集-基极间
31、反向饱和电流 ICBO,其大小取决于温度和少数载流子的浓度。 小功率锗管：ICBO10A， 小功率硅管：ICBO1A。,测量电路,2）集-射极间反向饱和（穿透）电流 ICEO,ICEO=（1+）ICBO,ICEO大的管子性能不稳定，通常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。,当工作环境温度变化范围较大时应选硅管。,19.6.28,62,（3）极限参数,1）集电极最大允许电流ICM,当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流 ICM 。,2）集射反相击穿电压 U(BR)CEO,表示三极管电极间承受反向电压的能力。,当UCE U(BR)CEO时， ICEO，管子损坏。,4
32、.3三极管结构及原理,19.6.28,63,3）集电极最大允许功率损耗PCM,PCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值，集电结会过热烧毁。PCM= iCuCE,对大功率管为了提高PCM ，通常采用加散热装置的方法。,19.6.28,64,3. 三极管的其它形式,1）复合三极管,1 2,复合管的类型取决于T1管,4.3三极管结构及原理,19.6.28,65,2）光电三极管和光电耦合器（P137）,将光信号转变为电流信号，且可将光电流放大倍。,光电三极管,光电耦合器,实现电-光-电的传输和转换。,19.6.28,66,第三次实验：实验四 一阶RC电路过渡过程的研究（P87）需要预习仪器的使用方法：示波器、信号发生器、交流毫伏表（参见实验书第三章内容）第四次实验：实验五 单管交流放大电路（P90）第五次实验：实验三 集成运算放大器实现的运算电路 （P111）,作业:4.1（b）、（d）,
