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1、第8章 半导体器件第1页，共57页，编辑于2022年，星期一第8章 半导体二极管和三极管 8.1 8.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 8.2 PN 8.2 PN 结与二极管结与二极管 8.3 8.3半导体三极管半导体三极管 8.4 8.4场效应管场效应管第2页，共57页，编辑于2022年，星期一教学要求：教学要求：理解理解PNPNPNPN结的单向导电性，三极管的电流分配和放大作用；结的单向导电性，三极管的电流分配和放大作用；结的单向导电性，三极管的电流分配和放大作用；结的单向导电性，三极管的电流分配和放大作用；了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和了解二极管、稳压管和三极管的基
2、本构造、工作原理和伏安特性曲线，理解主要参数的意义；伏安特性曲线，理解主要参数的意义；会分析含有二极管的电路；会分析含有二极管的电路；了解场效应管了解场效应管 特性特性第3页，共57页，编辑于2022年，星期一8.1 8.1 半导体的导电性能半导体的导电性能1 1导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和
3、绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。镓和一些硫化物、氧化物等。第4页，共57页，编辑于2022年，星期一半导体的三个特性半导体的三个特性 在在加热加热或或光照加强光照加强时，半导时，半导体的体的阻值显著下降阻值显著下降阻值显著下降阻值显著下降，导电能力，导电能力增强类似于导体。增强类似于导体。半导体具有热敏特性和光敏半导体具有热敏特性和光敏特性是由半导体的内部结构特性是由半导体的内部结构（图（图1-11-1）所决定的。）所决定的。1.1.热敏特性和光敏特性热敏特性和光敏特性第5页，共57页，编辑于
4、2022年，星期一半导体的三个特性半导体的三个特性 往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器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）。件，如二极管、三极管和晶闸管等）。2.2.掺杂性掺杂性第6页，共57页，编辑于2022年，星期一8.1.18.1.1本征半导体本征半导体 纯净的半导体晶体称为本征半导体本征半导体1.本征半导体的共价键结构（硅）：硅原子外层轨道4个价电子，它与相邻原子靠得很近，使价电子成为两个原子公有，形成共价键结构。共用电子对共用电子对第7页，共57页，编辑于2022年，星期一
5、2.2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理1.载流子、自由电子、空穴 载流子：运载电荷的微粒载流子：运载电荷的微粒在绝对温度在绝对温度T=0KT=0K（开尔文）和没有外界激（开尔文）和没有外界激发的前提下，本征半导体内的价电子全部被束发的前提下，本征半导体内的价电子全部被束缚在共价键中，不能自由运动，被称为束缚电缚在共价键中，不能自由运动，被称为束缚电子，不能参与导电。子，不能参与导电。T光照光照共价键中的某些价电子获得能量共价键中的某些价电子获得能量自自由由电电子子原共价键中的相应位置留下空位原共价键中的相应位置留下空位空空穴穴第8页，共57页，编辑于2022年，星期一8.1.2 8.
6、1.2 杂质半导体杂质半导体半导体的导电能力取决于载流子的数目，本征半导体受热激发只产生少量电子空穴对，载流子浓度很低，外加电场作用，电流极其微弱；若在本征半导体中掺入微量杂质，则导电性能大为改观，掺入百万分之一的杂质，载流子浓度增加1百万倍。N型半导体：在纯净半导体中掺入微量的五价元素（如磷）后形成P型半导体：在纯净半导体中掺入微量的三价元素（如硼）后形成。第9页，共57页，编辑于2022年，星期一掺杂的本证半导体的电流形成过程动画1 1出现幻灯片出现幻灯片5 5中的图中的图1-11-1，2.2.将图将图1-11-1换成图换成图1-21-2，3.3.出现光照或加热标识，出现图中蓝线范围内的出
7、现光照或加热标识，出现图中蓝线范围内的电子跑动电子跑动动画和自由电子移动后形成的空穴动画动画和自由电子移动后形成的空穴动画4.4.出现图出现图1-31-3，电子和空穴移动形成的电流动画，电子和空穴移动形成的电流动画第10页，共57页，编辑于2022年，星期一1.N型半导体自由电子磷原子带正电电子-空穴对第11页，共57页，编辑于2022年，星期一2.P型半导体硼原子空穴电子-空穴对第12页，共57页，编辑于2022年，星期一P 型半导体与型半导体与N型半导体区别型半导体区别N型半导体型半导体在半导体中掺入少量五价的磷元素，在和半导体原子组成共价键时，就多出一个电子。这种电子为多数载流子的半导体
8、叫电子型半导体，简称N型半导体。P 型半导体型半导体在半导体里掺入少量三价的硼元素，和外层电子数是四个的硅或锗原子组成共价键时，就自然形成一个空穴，这就使半导体中的空穴载流子增多，叫空穴型半导体，简称P型半导体。第13页，共57页，编辑于2022年，星期一8.2 PN结与二极管结与二极管1.1.PN结的形成结的形成 在一块纯净的半导体晶片上，采用特殊的掺杂工艺，在两侧分别掺入三价元素和五价元素。一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体。P型+N型第14页，共57页，编辑于2022年，星期一浓度差别多子扩散空间电荷区 当扩散和漂移达到动平衡，即形成PN结。内电场内电场少子漂移+P型区N型区空间电
9、荷区内电场V0第15页，共57页，编辑于2022年，星期一动画:PN结的形成Step1:取取ppt的第的第14张的图张的图Step2:外加电场后，取外加电场后，取ppt的第的第8张的图，注意载流张的图，注意载流子的方向子的方向第16页，共57页，编辑于2022年，星期一8.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性PN 结结正向偏置正向偏置结构：结构：P 区加正电区加正电压、压、N 区加负区加负 电压电压特点：结电阻很小，特点：结电阻很小，正向电流较大正向电流较大PN 结结反向偏置反向偏置结构：结构：P区加负电区加负电压、压、N 区加正电压区加正电压特点：结电阻很高，特点：结电阻很高，反向电流很
10、小反向电流很小第17页，共57页，编辑于2022年，星期一PN PN 结正向偏置结正向偏置+RE内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加多子的扩散加强能够形成较强能够形成较大的扩散（正大的扩散（正向）电流。向）电流。第18页，共57页，编辑于2022年，星期一PN 结反向偏置结反向偏置+内内电场电场 外电场外电场变厚变厚NP_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE第19页，共57页，编辑于2022年，星期一8.2.
11、3 半导体二极管半导体二极管1.1.基本结构基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅(c)平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极(d )符号符号D第20页，共57页，编辑于2022年，星期一二极管导通电路二极管导通电路EDPN结加正向电压结加正向电压PN结加反向电压
12、结加反向电压第21页，共57页，编辑于2022年，星期一二极管伏安特性和主要参数二极管伏安特性和主要参数反向击穿反向击穿电压电压UBRUImAuA击穿击穿SiSiP+Si雪崩击穿雪崩击穿齐齐纳纳击击穿穿反向电流反向电流反向电流反向电流在一定电在一定电在一定电在一定电压范围内压范围内压范围内压范围内保持常数保持常数保持常数保持常数导通压降导通压降导通压降导通压降死区电压死区电压死区电压死区电压第22页，共57页，编辑于2022年，星期一提示提示：2.2.死区电压死区电压 硅管硅管0.50.5V V，锗管，锗管0.10.1V V1.1.导通压降导通压降 硅硅0.60.8V0.60.8V，锗，锗0.
13、20.20.3V0.3V第23页，共57页，编辑于2022年，星期一主要参数主要参数1.最大整流电流最大整流电流IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流，均电流，超过I IOMOM二极管的PN结将过热而烧断。2.反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.最大反向饱和电流最大反向饱和电流IRM 这个电流愈小二极管的单向导电性愈好。温升时，IRM增大。第24页，共57页，编辑于2022年，星期一4 二极管的直流电阻二极管的直流电阻5最高工作频率最高工作频率
14、第25页，共57页，编辑于2022年，星期一二极管电路分析方法二极管电路分析方法导通导通截止截止否则，正向管压降否则，正向管压降硅硅0.60.70.60.7V锗锗0.20.20.30.3V 分析方法：分析方法：分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压的高低或所加电压UD D的正负的正负。若若 V V阳阳 V阴阴或或或或 UD D为正为正(正向偏置正向偏置正向偏置正向偏置 )，二极管导通，二极管导通，二极管导通，二极管导通若若若若 V V阳阳 ICEO 则交流放大系数用 表
15、示三极管的主要参数三极管的主要参数第45页，共57页，编辑于2022年，星期一vCE(V)iC(A)43210 2 4 6 82.31.5ICIBQ100806040iB=20(A)第46页，共57页，编辑于2022年，星期一 若满足条件：ICEO很小时，可忽略；管子工作在线性区。共基：第47页，共57页，编辑于2022年，星期一（2）穿透电流ICEO（3）集电极最大允许电流ICM（4）集电极最大允许耗散功率PCM (5)反向击穿电压U(BR)CEO第48页，共57页，编辑于2022年，星期一1.3.5 三极管的微变等效电路1.1.分析的前提：分析的前提：小信号小信号 在小信号的作用下，工作在
16、恒流区的三极管可以用一在小信号的作用下，工作在恒流区的三极管可以用一个如图（个如图（a a）线性有源两端口网络来等效）线性有源两端口网络来等效 小信号时近小信号时近似为线性似为线性第49页，共57页，编辑于2022年，星期一输入端等效输入端等效为电阻为电阻输出端等效输出端等效为恒流源为恒流源第50页，共57页，编辑于2022年，星期一8.4 场效应管三极管称电流控制元件；场效应管称电压控制元件。场效应管具有输入电阻高（最高可达108）、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点。8.4.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管（1）结构与符号结构与符号第51页，共57页，编辑于2022年，星期一第
17、52页，共57页，编辑于2022年，星期一（2）伏安特性和主要参数伏安特性和主要参数使场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压UGS（th），称为开开启电压启电压。第53页，共57页，编辑于2022年，星期一 当UGS的负值达到某一数值UGS（off）时，导电沟道消失，这一临界电压UGS（off）称为夹断电压。场效应管的主要参数：增强型MOS管的开启电压UGS（th），耗尽型MOS管的夹断电压UGS（off）低频跨导转移特性曲线转移特性曲线第54页，共57页，编辑于2022年，星期一8.4.2 结型场效应管结构结构第55页，共57页，编辑于2022年，星期一2工作原理 使ID0时的UGS反偏电压，称为该管的夹断电压，用UGS（off）表示。管子的输入电阻就是反偏的P+N结的结电阻，它可达107数量级。第56页，共57页，编辑于2022年，星期一1.场效应管是以UGS控制ID，称电压控制元件；三极管是以IB控制IC，称电流控制元件。2.场效应管的放大系数为gm，三极管的放大系数为。3.场效应管与三极管电极的对应关系为G B、D C、S E。4.绝缘栅场效应管存放时，三个电极应短接在一起，防止外界静电感应电压过高时击穿绝缘层使其损坏。焊接时，烙铁应有良好的接地，最好拔下烙铁电源插头再焊。场效应管与三极管的比较第57页，共57页，编辑于2022年，星期一