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1、第4章半导体基本器件第1页，本讲稿共63页主要内容主要内容半导体的基本知识与半导体的基本知识与PN结结半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路双极型三极管及其特性参数双极型三极管及其特性参数场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路2 2第2页，本讲稿共63页 对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正对于元器件，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。讨论器件的目确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目确使用方法，
2、不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。的在于应用。的在于应用。的在于应用。学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，对器件学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，对器件学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，对器件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，以便用简的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简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。便的分析方法获得具有实际意义的结果。便的分析方法获得具有实际意义的结果。便的分析方法获得具有实际
3、意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过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。分追究精确的数值。分追究精确的数值。分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、器件是非线性的、特性有分散性、器件是非线性的、特性有分散性、器件是非线性的、特性有分散性、RCRC 的值有误差、的值有误差、的值有误差、的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。工程上允许一
4、定的误差、采用合理估算的方法。学习要求：学习要求：3 3第3页，本讲稿共63页 4.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PN结结物质的分类物质的分类 绝缘体绝缘体：1012 cm 如：橡胶、陶瓷、塑料等导体：导体：电阻率10-4 cm 如：金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、锡（Sn）导电性能介于导体与绝缘体之间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 半导体半导体：10-3 cm VT时时,VT称为死区电压。称为死区电压。硅管：硅管：VT0.5V，锗管：锗管：VT0.1V。导通时的正向压降导通时的正向压降硅管：硅管：0.6 0.7V，锗管：锗管：0.2 0.3V。正向
5、特性正向特性1.正向特性正向特性2.反向特性反向特性电流很小，几乎为零。电流很小，几乎为零。当当u0时，时，i=Is（反向饱和电流反向饱和电流）+iDuD二、二、二极管伏安特性二极管伏安特性1212第12页，本讲稿共63页 当反向电压增大至当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。这时，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。种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。3.反向击穿特性反向击穿特性604020 0.02 0.0400.4 0.82550I/mAU/V反反向向特特性性击穿电压击穿电压U(BR)1313第13页，本讲稿共63页三、三、主要参数主要参数 2.最高
6、反向工作电压最高反向工作电压 UDRM 它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电它是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。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。极管的最大正向平均电流。3.最大反向电流最大反向电流 IRM 它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。电流值。1414第14页，本讲稿共63页四、四、二极管的电路模型二极管的电路模型 二极管是一种非
7、线性器件，一般采用非线性电路二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的的模型模型模型模型分析法。分析法。oiDuD+iDuD二极管导通后，二极管导通后，硅管：硅管：uD0.7V，锗管：锗管：uD0.3V。相当于一理想开关。相当于一理想开关。2.恒压降模型恒压降模型1.理想模型理想模型1515第15页，本讲稿共63页五、五、二极管应用电路二极管应用电路 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、开关电路等。幅电路、整流电路、钳位电路、开关电路等。1.整流电路整流电路当当us0，D导通，导通，uo=vs；当当usU
8、ON时，时，D1导通，导通，D2截止，截止，uo=0.7V；当当uS UON时，时，D2导通，导通，D1截止，截止，uo=0.7V；当当|uS|UON时，时，D1、D2均截止，均截止，uo=us。输出电压被。输出电压被限幅在限幅在 0.7V，称双向限幅，称双向限幅电路。电路。1717第17页，本讲稿共63页例例4.1在图中，输入电位在图中，输入电位 UA=+3 V，UB=0 V，电阻电阻 R 接负电源接负电源 12 V。求输出端电位。求输出端电位 UO。因因为为UA 高高于于UB，所所以以D1 优优先先导导通。通。设设二二极极管管的的正正向向压压降降是是 0.3V，则则 UO=+2.7V。当当
9、 D1 导通后导通后,D2 因反偏而截止。因反偏而截止。D1起起钳钳位位作作用用，将将输输出出端端电电位位钳制在钳制在+2.7 V。解：解：1818第18页，本讲稿共63页六、六、特殊二极管特殊二极管稳稳压压管管是是一一种种特特殊殊的的面面接接触触型型半半导导体体硅硅二二极极管管。稳稳压压管管工作于反向击穿区。工作于反向击穿区。I/mAOUZIZIZM+正向正向 +反向反向 UZ IZU/V1.稳压管稳压管稳压管反向击穿后，电流虽稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电利用这一特性，稳压管在
10、电路中能起稳压作用路中能起稳压作用1919第19页，本讲稿共63页 稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：1.稳定电压稳定电压UZ 4.稳定电流稳定电流 IZ、最大、最小稳定电流、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。3.动态电阻动态电阻 rZ2.电压温度系数电压温度系数 U（%/）5.最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZM 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。2020第20页，本讲稿共63页 电阻的作用电阻的作用:起限流作用，以保护稳压起限流作用，以保护稳压管；管；当输入电压或负载电流变化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，时，通过该电阻上电压降
11、的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作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。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。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。2121第21页，本讲稿共63页正常稳压时正常稳压时 UO=UZ 稳压条件是什么？稳压条件是什么？IZmin IZ IZmax不加不加R可以吗？可以吗？当当Ui为正弦波，且幅值大于为正弦波，且幅值大于UZ，UO的波形是怎样的？的波形是怎样的？2222第22页，本讲稿共63页2.发光二极管发光二极管ak 当电流流过时，发光二极当电流流过时，发光二极管将发出光来，光的颜色由二管将发出光来，光的颜色由二
12、极管材料（如砷化镓、磷化镓）极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。决定。发光二极管通常用作显示器件，发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几工作电流一般在几mA至几十至几十mA之间。之间。另一重要作用：将电信号变为另一重要作用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信用光电二极管接收，再现电信号。号。发光二极管的符号发光二极管的符号2323第23页，本讲稿共63页3.光电二极管光电二极管akakipup+（a）光电二极管的符号）光电二极管的符号（b）光电二极管的等效电路）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。其特点是光电二极管可
13、将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与照度成正比。它的反向电流与照度成正比。2424第24页，本讲稿共63页 4.3 双极型三极管及其特性参数三极管结构与工作原理三极管结构与工作原理三极管特性曲线及主要参数三极管特性曲线及主要参数2525第25页，本讲稿共63页一、一、双极型三极管双极型三极管三极管的结构与符号三极管的结构与符号电流分配与放大作用电流分配与放大作用三极管的特性曲线三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的其它形式三极管的其它形式2626第26页，本讲稿共63页1.三极管的结构与符号三极管的结构与符号 半导体三极管简称三极管，是由半导体三极管简称三极管，是由2
14、个个PN结构成的，结构成的，其基本功能：具有电流放大作用。其基本功能：具有电流放大作用。N 型硅型硅BECN 型硅型硅P 型硅型硅(a)平面型平面型二氧化硅保二氧化硅保护膜护膜铟球铟球N 型锗型锗ECBPP(b)合金型合金型铟球铟球2727第27页，本讲稿共63页按结构可分为：按结构可分为：NPN型和型和PNP型。型。集电极集电极，用，用C表示表示集电区集电区，掺，掺杂浓度低杂浓度低基极基极，用，用B表示表示基区基区，薄，薄发射区发射区，掺杂，掺杂浓度高浓度高发射结发射结集电结集电结，面积比，面积比发射结大发射结大发射极发射极，用，用E表示表示2828第28页，本讲稿共63页发射极的箭头代表发
15、射极电流的实际方向。发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。becbec NPN型与型与PNP型三极管的工作原理相似，只是使用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。时所加电源的极性不同。2929第29页，本讲稿共63页三极管内部载流子的运动规律三极管内部载流子的运动规律三极管内部载流子的运动规律三极管内部载流子的运动规律IEIBICENBCNPEBRBEC3030第30页，本讲稿共63页mA AVVmAICECIBIERB+UBE+UCE EBCEB3DG100用实验说明三极管的电用实验说明三极管的电流分配与放大作用流分配与放大作用 实验电路采用共发射极实验电路采用共发射极接法，
16、接法，NPN 型管。型管。为了使三极管具有放大作用，电源为了使三极管具有放大作用，电源 EB 和和 EC 的极性必的极性必须使须使发射结上加正向电压发射结上加正向电压(正向偏置正向偏置)，集电结加反向电压，集电结加反向电压(反反向偏置向偏置)。改变可变电阻改变可变电阻 RB，则基极电流，则基极电流 IB、集电极电流、集电极电流 IC 和发和发射极电流射极电流 IE 都发生变化，都发生变化，2.电流分配与放大作用电流分配与放大作用3131第31页，本讲稿共63页IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95
17、IE/mA 0UBC UB UEPNP 型三极管应满足型三极管应满足:UEB 0UCB 0即即 UC UB VBVE，PNP型有型有VCVB UB UE。+iBiCuBEuCEIC IB(2)截止区截止区IB=0 时时,IC=ICEO(很小很小)。为了使三极管可靠截止，常使为了使三极管可靠截止，常使 UBE 0，截止时集电结，截止时集电结也处于反向偏置也处于反向偏置(UBC 0)，此时，此时,IC 0。3838第38页，本讲稿共63页(3)饱和区饱和区 当当 UCEUCES 0)，三三极极管管工工作于饱和状态。作于饱和状态。在饱和区，在饱和区，IC 和和 IB 不成正比。不成正比。+iBiCu
18、BEuCE 当三极管饱和时，当三极管饱和时，UCE 0，C-E间如同一个开关的接通；间如同一个开关的接通；当三极管截止时，当三极管截止时，IC 0，C-E之之间如同一个开关的断开；间如同一个开关的断开；可见，三极管除了有可见，三极管除了有放大作用放大作用外，外，还有还有开关作用开关作用。3939第39页，本讲稿共63页 管型管型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截截 止止 UBE/VUCE/V UBE/V UBE/V 开始开始截止截止 可靠可靠截止截止硅管硅管(NPN)锗管锗管(PNP)0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1三极管
19、结电压的典型值三极管结电压的典型值+iBiCuBEuCE4040第40页，本讲稿共63页例例4.3 （a a）（b b）（c c）（d d）（e e）（f f）（g g）（h h）测得电路中三极管测得电路中三极管3个电极的电位如图所示。问哪些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，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？哪些已损坏？4141第41页，本讲稿共63页 （a a）（b b）（c c）（d d）（a）发射结、集电结均反偏，管子截止。）发射结、集电结均反偏，管子截止。（b）发射结反偏、集电结正偏，管子截止。）发射结反偏、集电结
20、正偏，管子截止。（c）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。）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。）发射结、集电结均正偏，管子饱和。4242第42页，本讲稿共63页（e）发射结正偏、集电结反偏，管子放大。）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。）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。）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，远大于发射结正偏时的电压，故管子已损坏。故管子已损坏。4343第43页，本讲稿共63页4.三极管的主要参数三极管的主要参数（1
21、）电流放大系数）电流放大系数直流放大系数直流放大系数交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在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情较小的情况下况下,可近似认为可近似认为iCuCEoICEO4444第44页，本讲稿共63页（2）极间反向电流）极间反向电流1）集）集-基极间反向饱和电流基极间反向饱和电流ICBOA+ICBOUCC 其大小取决于温度和少数载流子的其大小取决于温度和少数载流子的浓度。浓度。小功率锗管：小功率锗管：ICBO10A，小功率硅管：小功率硅管：ICBO1A。测量电路测量电路2）集）集-射极间反向饱和（穿透）电流射极间反向饱和（穿透）电流ICEOAIC
22、EOUCCICEO=（1+）ICBO ICEO大的管子性能不稳定，通常把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。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。当工作环境温度变化范围较大时应选硅管。4545第45页，本讲稿共63页（3）极限参数）极限参数1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICM 当当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电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流，称为集电极最大允许电流 ICM。2）集）集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO表示三极管电极间承受反向电压的能力。表示三极管电极间承受
23、反向电压的能力。当当UCE U(BR)CEO时，时，ICEO，管子损坏。，管子损坏。4646第46页，本讲稿共63页3）集电极最大允许功率损耗）集电极最大允许功率损耗PCMPCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值，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。集电结会过热烧毁。PCM=iCuCE 对大功率管为了提高对大功率管为了提高PCM，通常采用加散热，通常采用加散热装置的方法。装置的方法。iCU(BR)CEOuCEPCMoICEO安安 全全 工工 作作 区区ICM4747第47页，本讲稿共63页5.三极管的其它形式三极管的其它形式1）复合三极管）复合三极管1 2复合
24、管的类型复合管的类型取决于取决于T1管管4848第48页，本讲稿共63页2）光电三极管和光电耦合器）光电三极管和光电耦合器 将光信号转变为电流信号，且可将光电流放大将光信号转变为电流信号，且可将光电流放大倍。倍。光电三极管光电三极管光电耦合器光电耦合器实现电实现电-光光-电的传输电的传输和转换。和转换。4949第49页，本讲稿共63页4.4 4.4 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管共源极放大器共源极放大器源极输出器源极输出器5050第50页，本讲稿共63页 场效应管（场效应管（Fiedl Effect TransistorFET）是利用是利用电场效应来控
25、制电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一般半导体的有源器件，它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具有输入电阻高（有输入电阻高（MOSFET最高可达最高可达1015）、噪声系数）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路以及艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中得到广泛应用。微波毫米波电路中得到广泛应用。按结构，场效应管可分两大类：按结构，场效应管可分两大类：结型场效应管（结型场效应管（JFET
26、）绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（IGFET）5151第51页，本讲稿共63页 绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为金属（铝）栅极和半导体之间绝缘层作为金属（铝）栅极和半导体之间绝缘层，又称，又称金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管，简称半导体场效应管，简称MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET)。MOSFET可分为可分为增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道一、绝缘栅型场效应管一、绝缘栅型场效应管5252第52页，本讲稿共63页结构结构1）结构）结构 N沟道增强型沟道
27、增强型MOSFET在在P型半导体上生成一型半导体上生成一层层SiO2 薄膜绝缘层，然薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个后用光刻工艺扩散两个高掺杂的高掺杂的N型区。型区。栅极栅极G源极源极S漏极漏极D衬底衬底B1、N沟道增强型沟道增强型MOSFET5353第53页，本讲稿共63页 栅源电压栅源电压vGS的控制作用的控制作用形成形成导电沟道导电沟道 正电压正电压vGS产生的反型层把漏产生的反型层把漏-源连接起来，形成宽度均匀的导源连接起来，形成宽度均匀的导电电N沟道，自由电子是沟道内的沟道，自由电子是沟道内的主要载流子。主要载流子。反型层刚形成时，对应的栅反型层刚形成时，对应的栅源电压源电压vGS
28、称为开启电压，用称为开启电压，用VT表表示。示。2）工作原理）工作原理原理原理1 15454第54页，本讲稿共63页 漏源电压漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用 vGS VT，加，加vDS，形成，形成iD，且，且iD与与vDS基本成正比。因基本成正比。因vDS形成电位差，使导电沟道为梯形。形成电位差，使导电沟道为梯形。vDS增大至增大至vGD=vGS vDS VT，沟道被预夹断（漏端），沟道被预夹断（漏端），管子进入饱和区。管子进入饱和区。原理原理2 25555第55页，本讲稿共63页沟道预夹断后，沟道预夹断后，vDS继续增大，继续增大，夹断点向源极方向移动，夹断点向源
29、极方向移动，iD略有略有增大。增大。vGS变化时，变化时，vGS 107，MOSFET的的RGS109。5）低频跨导）低频跨导gm 表征工作点表征工作点Q上栅源电压上栅源电压vgs对对漏极电流漏极电流id的控制作用大小的参数，的控制作用大小的参数，单位是单位是mS。6060第60页，本讲稿共63页双极型三极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管结构结构NPN型型PNP型型C与与E一般不可倒置使一般不可倒置使用用结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟沟道道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟沟道道D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载
30、流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移多子漂移多子漂移输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)二、二、双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较6161第61页，本讲稿共63页双极型三极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管噪声噪声较大较大较小较小温度特性温度特性受温度影响较大受温度影响较大较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻几十到几千欧姆几十到几千欧姆几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺不易大规模
31、集成不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成6262第62页，本讲稿共63页使用注意事项使用注意事项：（1 1）绝缘栅场效应管不能用万用表检查，必须用测试仪。）绝缘栅场效应管不能用万用表检查，必须用测试仪。使用四引线的场效应管，其衬底引线必须接地。使用四引线的场效应管，其衬底引线必须接地。（2 2）保存场效应管时应将各电极短路，以免外电场作）保存场效应管时应将各电极短路，以免外电场作用使管子损坏。焊接时，电烙铁必须有外接地线，以用使管子损坏。焊接时，电烙铁必须有外接地线，以防止烙铁带电而损坏管子。焊接绝缘栅场效应管时，防止烙铁带电而损坏管子。焊接绝缘栅场效应管时，要按源极要按源极-漏极漏极-栅极的顺序焊接，并且最好断电后进栅极的顺序焊接，并且最好断电后进行焊接。行焊接。6363第63页，本讲稿共63页