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1、,本章首先简要介绍了半导体的基础知识以及半导体器件的核心部分-PN结，然后重点介绍了半导体二极管、晶体管和场效应晶体管的物理结构、工作原理、特性曲线及主要参数；在此基础上还介绍了二极管和晶体管基本电路、分析方法与实际应用。,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体管,1.4 场效应晶体管,1.1 半导体基础知识,1.1.1 本征半导体,物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电性能取决于原子结构。导体一般由低价元素构成，绝缘体一般由高价元素或高分子物质构成，半导体一般最外层电子为4。由于其导电性能介于导体和绝缘体之间，所以称为半导体。,硅原子,硅和锗最外层轨道上的四
2、个电子称为价电子。,化学成分纯净、具有晶体结构的半导体称为本征半导体,本征半导体的正离子核,被共价键紧紧束缚的价电子,在绝对温度或没有外界激发时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,本征半导体共价键结构,在获得一定能量(温度增高、受光照等)后，价电子即可摆脱原子核的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下空位，称为空穴。 这一现象称为本征激发，也称热激发。,可见，自由电子和空穴总是伴随着本征激发成对出现的，也叫电子空穴对。,空穴,自由电子,在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子做定向运动形成的电子电流，一是仍被原
3、子核束缚的价电子递补空穴形成的空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这是半导体和金属在导电机理上的本质区别。,1.1.2 杂质半导体,本征半导体中由于本征激发所产生的载流子数目极少，导电能力依然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。,杂质半导体：利用一定的掺杂工艺制成的半导体,掺杂的目的：为了显著改变载流子浓度，以提高导电能力,施主杂质：掺杂后失去电子，提供多余的自由电子的物质,受主杂质：掺杂后获得电子，提供多余的空位的物质,按照掺入杂质的作用不同，可以将杂质分为两类：,施主原子提
4、供的多余电子,施主正离子,N型半导体的共价键结构,1 N型半导体,N型半导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素，磷原子在取代原晶体结构中的硅原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。,受主原子缺少电子产生的空穴,受主获得一个电子形成受主负离子,P型半导体的共价键结构,2 P型半导体,P型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的硅原子并构成共价键时，因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子,而自由电子则成为少数载流子。
5、,1.1.3 PN结,1 PN结的形成,浓度差,多子的扩散,空间电荷区,内电场,P、N结合,阻碍多子扩散，产生少子漂移,扩散漂移动态平衡,PN结,2 PN结的单向导电性,PN结正向偏置时，内电场削弱，正向电流增大，呈现低电阻，处于导通状态。,PN结反向偏置时，内电场增强，反向电流增大，呈现高电阻，处于截止状态。,1.2.1 二极管的结构和分类,1.2 半导体二极管,半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构成的。,1 二极管的结构,点接触型半导体二极管的结构,半导体二极管的符号,按结构分：点接触型、面接触型和平面型,2 二极管的种类,按材料分：硅二极管和锗二极管,1.2.2 二极管的伏安特性,二极
6、管伏安特性图,图中Uon称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。正向电压低于死区电压时，正向电流很小，只有当正向电压高于死区电压后，才有明显的正向电流。导通时二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.60.8V，锗管约为0.20.3V。通常认为，当正向电压UUon时，二极管导通。,图中UBR称为反向击穿电压，当外加反向电压低于UBR时，二极管处于反向截止区，反向电流几乎为零，但温度上升，反向电流会有增长。当外加反向电压超过UBR后，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为反向击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上。 普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一
7、般会造成“热击穿”，不能恢复原来性能，也就是失效了。 二极管的特性对温度很敏感，温度升高，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近，在同一电流下，温度每升高1，正向电压减小22.5mV；温度每升高10，反向电流增大约1倍。 二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性，可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。,1.2.3 二极管的主要参数,描述器件的物理量，称为器件的参数。它是器件特性的定量描述，也是选择器件的依据。 二极管的主要参数有：,（1）最大整流电流IF,（2）最大反向工作电压UR,（3）反向电流IR,（4）最高工作频率fM,（5）二极管
8、的直流电阻RD,（6）二极管的交流电阻rd,注意：用万用表测量出的电阻值为RD，用不同档测量出的RD值显然是不同的。,1.2.4 二极管的基本应用电路,运用二极管主要是利用它的单向导电性。二极管导通时，可用短线来代替它；二极管截止时，可认为它断路。,限幅电路利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成。当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。,【例1】试分析图16所示的限幅电路,输入电压的波形为已知,画出它的限幅电路的波形。,解:当E=0
9、时限幅电平为0V。ui0时二极管导通，uo=0；ui+E时,二极管导通, uo=E,它的波形如图(b)所示;当UME0时,限幅电平为负数,它的波形如图(c)所示,1.2.5 稳压二极管,1 稳压二极管工作原理,稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管。,正向特性和普通二极管类似，但它的反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。,稳压二极管正常工作是在反向击穿状态。,1 稳压二极管主要参数,(1)稳定电压UVS 稳定电压是稳压管工作在反向击穿时的稳定工作电压。由于稳定电压随工作电流的不同而略有变化，因而
10、测试UVS时应使稳压管的电流为规定值。 稳定电压UVS是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压管，其稳定电压值不同。同一型号的管子，由于制造工艺的分散性，各个管子的UVS值也略有差别。,(2)稳定电流IVS 稳定电流是指使稳压管正常工作时的最小电流，低于此值时稳压效果较差，工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是，工作电流较大时，稳压性能较好，但电流要受管子的功耗限制，即最大稳定电流IVSmax=PVS/UVS。,(3)动态电阻rVS rVS是稳压管工作在稳压区时，两端电压变化量与电流变化量之比，即rVS=U/I。rVS越小，则稳压性能越好。同一稳压管，一般工作电流越大时，rV
11、S值越小。通常手册上给出的rVS值是在规定的稳定电流之下测得的。,(4)额定功耗PVS 由于稳压管两端的电压值为UVS，而管子中又流过一定的电流，因此要消耗一定的功率，这部分功耗转化为热能，会使稳压管发热。PVS取决于稳压管允许的温升。,1.3 晶体管,1.3.1 晶体管的结构、分类及基本特性,1 晶体管的结构和分类,晶体管有三个电极，通俗来讲，晶体管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构,由两个PN结组成，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。,晶体管内部结构示意图,2 晶体管的三种连接方式,因为放大器一般为4端网络，而晶体管只有3个电极，所以组成放大电路时，有一个电极作为输入与输
12、出信号的公共端。根据所选公共端电极的不同，有以下三种连接方式:共基极、共发射极和共集电极。,晶体管的三种连接方式,3 晶体管的电流放大作用,(1)晶体管实现放大的结构要求是：,发射区高掺杂，多数载流子自由电子的浓度远大于基区多数载流子空穴的浓度。,基区做的很薄，通常只有几微米到几十微米，而且是低掺杂。,集电极面积大，以保证尽可能收集到发射区发射的电子。,(2)晶体管实现放大的外部条件是：,外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态；集电结处于反向偏置状态。,(3)晶体管内部载流子的运动规律和电流放大,发射区向基区扩散电子,电子在基区扩散和复合,集电区收集从发射区扩散过来的电子,(4)电流分配,集
13、电极电流：IC=ICn+ICBOICn=IB,发射极电流：IE=IEn+IEpIEn=ICn+IBn=IC+IB=(1+)IB,基极电流： IB=IBn-ICBOIBn,晶体管各极电流的关系,1.3.2 晶体管的特性曲线,当UCE不变时，输入回路中的电流与IB与电压UBE之间的关系曲线称为输入特性曲线，即,其中UCE0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当UCE 1V时，UCB= UCEUBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，使基区复合减少，IC / IB增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但UCE再增加时，曲线右移很不明显。因为UCE1V时，集电结已把绝大多数电子收集过去，收集电子数量
14、不再明显增大。工程实践上，就用UCE1V的输入特性曲线代替UCE 1V以后的输入特性曲线。,共发射极接法的输入特性曲线,1 输入特性曲线,2 输出特性曲线,当IB不变时，输出回路中的电流IC与电压UCE之间的关系曲线称为输出特性，即,共射极接法输出特性曲线,通常把输出特性曲线分为三个工作区： (1)截止区 IC接近零的区域（即IB0的区域），相当IB=0的曲线的下方。在截止区，集电结和发射结均处于反向偏置 (2)放大区 IC平行于UCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏 (3)饱和区 在靠近纵轴附近，各条输出曲线的上升部分属于饱和区，它是IC受UCE显著控制的区域，该区域
15、内UCE 的数值较小，一般UCE0.7 V(硅管)。发射结和集电结都处于正向偏置状态。,1.3.3 晶体管的主要参数,晶体管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。,1 直流参数,(1)直流电流放大系数,共发射极直流电流放大系数,共基极直流电流放大系数,(2)极间反向电流,集-基间反向饱和电流ICBO,集-射间反向饱和电流ICEO,ICEO和ICBO有如下关系：,2 交流参数,（1）交流电流放大系数,交流共基集-射电流放大系数,交流共射集-基电流放大系数,在放大区，值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于横轴的直线求取ICIB。,（2）特征频率fT,晶体管的值不仅与工作电流有关
16、，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,3 极限参数,极限参数是指为了保证晶体管在放大电路中能正常地、安全地工作而不能逾越的参数。,（1）集电极最大允许损耗功率PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=ICUCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。管子工作时，集电结功耗PCPCM，否则使集电结温升过高而烧坏。,（3）反向击穿电压,U(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。,U(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,U(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。,几个击穿电压在大小上有如下关系：,U(BR)CBOU(BR)CESU(BR)CERU(BR)CEO,由于晶体管的电流放大系数值与工作电流有关，工作电流太大，就下降，使晶体管的性能下降，也使放大的信号产生严重失真。一般定义当
