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1、第第1章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管1.2 1.2 PN结结1.3 1.3 半导体二极管半导体二极管 1.4 1.4 稳压管稳压管1.5 1.5 半导体三极管半导体三极管 1.6 1.6 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管第第1章章 目录目录1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性在热力学温度零度在热力学温度零度和没有外界激发时和没有外界激发时,本征半导体不导电。本征半导体不导电。 把纯净的没有结把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。称为本征半导体。 它是共价键结构。它是共价键结构。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构
2、硅原子硅原子价电子价电子第第1章章 1.11.1.1 本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+41.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴本征激发本征激发复合复合在常温下自由电子和空穴的形成在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对出现成对消失成对消失第第1章章 1.1+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向外电场方向外电场方向外电场方向空穴导电的空穴导电的实质是共价实质是共价键中的束缚键中的束缚电子依次填电子依次填补空穴形成补空穴形成电流。故半电流。故半导体中有电导体中有电子和空穴两子和空穴两种载流子。种载
3、流子。 空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 在外电场作用下，在外电场作用下，电子和空穴均能电子和空穴均能参与导电。参与导电。 价电子填补空穴价电子填补空穴第第1章章 1.1+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2 1.1.2 P半导体和半导体和N型半导体型半导体1 . N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体在硅或锗的晶体中中 掺入少量的掺入少量的五价元五价元 素素,如磷如磷,则形成则形成N型半导型半导体。体。 磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子自由电子自由电子正离子正离子第第1章章 1.1 N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离
4、子正离子在在N型半导中型半导中,电子是多数载流子电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。第第1章章 1.1+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴2. P型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元掺入少量的三价元 素素,如硼如硼,则形成则形成P 型型半导体。半导体。 +4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子第第1章章 1.1 P 型半导体结构示意图型半导体结构示意图电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载流子第第1章章 1.1P 区区N 区区1.2.1 PN 结的形成结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上用
5、专门的制造工艺在同一块半导体单晶上, ,形成形成 P型半导体区域型半导体区域 和和 N型半导体区域型半导体区域, ,在这两个区域的交界处就形成了一个在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。结。N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向1.2 1.2 PN 结结第第1章章 1.2多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度
6、基本上稳定下来。空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 第第1章章 1.2内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RI1.2.2 PN 结的单向导电性结的单向导电性P 区区N 区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形成较大的正向电流成较大的正向电流1. 外加正向电压外加正向电压第第1章章 1.2P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR
7、2. 2. 外加反向电压外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过少数载流子越过PN结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行第第1章章 1.21.2.3 PN结电容结电容PN结电容结电容势垒电容势垒电容 扩散电容扩散电容 1. 势垒电容势垒电容 PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电来表示。势垒电容不是常数，与容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度结的面
8、积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。和外加电压的大小有关。 载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容，用变化所形成的电容称为扩散电容，用 Cd 与来示。与来示。 PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。以忽略不计。2. 扩散电容扩散电容 第第1章章 1.2 正极引线正极引线触丝触丝N型锗型锗支架支架外壳外壳负极引线负极引线点接触型二极管点接触型二极管1.3.1 二极管的结构和符号二极管的结构和符号二极管的符号二极管的符号正极正极负极负极1.3 1.3 半导体二极管半
9、导体二极管 正极引线正极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型区型区负极引线负极引线 面接触型二极管面接触型二极管N型硅型硅PN结结PN结结第第1章章 1.3600400200 0.1 0.200.4 0.850100I / mAU / V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性反向特性反向特性死区电压死区电压I / mAU / V0.40.8 40 802460.10.2锗管的伏安特性锗管的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性0第第1章章 1.31.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1. 最大整流电流最大整流电流
10、IOM2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URM3. 反向峰值电流反向峰值电流IRM 例例1：下图中，已知：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，为锗管，求输出端求输出端Y的电位并说明的电位并说明二极管的二极管的作用。作用。 解：解： DA优先导通，则优先导通，则VY=30.3=2.7VDA导通后导通后, DB因反偏而截止因反偏而截止,起隔离作用起隔离作用, DA起钳位作用起钳位作用,将将Y端的电位钳制在端的电位钳制在+2.7V。 DA 12VYABDBR 二极管的二极管的应用范围很广应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电
11、路中作为开关元件。元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 第第1章章 1.3DE3VRuiuouRuD 例例2：下图是：下图是二极管二极管限幅电路，限幅电路，D为理想二极管，为理想二极管，ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出试画出 uo波形波形 。 t t ui / V Vuo /V63300 2 2 6第第1章章 1.3 t 630 2 例例3：双向限幅电路双向限幅电路 t 033DE3VRDE3V第第1章章 1.3uiuouRuD ui / Vuo /V1.4 1.4 稳压管稳压管IFUF0正向特性正向特性反向击穿区反向击穿区UZIminIZmaxDZ正极正极正极正极负极负极
12、符号符号符号符号伏安特性伏安特性 稳压管是一种特殊的稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。面接触型半导体二极管。 第第1章章 1.40 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 2. 最小稳定电流最小稳定电流 Imin 3. 最大稳定电流最大稳定电流 IZmax4. 动态电阻动态电阻 RZ IZ UZRZ = IZ UZ5. 电压温度系数电压温度系数 VZT6. 最大允许耗散功率最大允许耗散功率PM第第1章章 1.4IFUFIminIZmaxN型硅型硅二氧化硅保护膜二氧化硅保护膜BECN+P型硅型硅1.5.1 半导体三极管的结构半导体三极管的结构（a） 平面型平面型N型锗型
13、锗ECB铟铟球球铟铟球球PP+（b）合金型）合金型1. 5 1. 5 半导体三极管半导体三极管第第1章章 1.51. NPN 型三极管型三极管集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区NN集电极集电极C基极基极B发射极发射极E 三极管的结构三极管的结构 分类和符号分类和符号PECB符号符号第第1章章 1.5集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区CBEN集电极集电极C发射极发射极E基极基极BNPPN2. PNP型三极管型三极管第第1章章 1.5ECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路1.5.2 1.5.2 三极管的电流控制作用三极管
14、的电流控制作用三极管具有电流控三极管具有电流控制作用的外部条件制作用的外部条件 : （1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置。对于对于NPN型三极管应满足型三极管应满足: UBE 0UBC VB VE对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足: UEB 0UCB 0即即 VC VB IB同样有同样有: IC IB所以说三极管具有电流控制作用所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。也称之为电流放大作用。IBUBE0UCE 1V死区电压死区电压1. 三极管的输入特性三极管的输入特性IB = f (UBE )UC E = 常数常数1.5.3 三极管的
15、特性曲线三极管的特性曲线第第1章章 1.5IB =40AIB =60AUCE 0IC IB增加增加IB 减小减小IB = 20AIB = 常数常数IC = f (UCE )2. 三极管的输出特性三极管的输出特性第第1章章 1.5IC / mAUCE /V0放放大大区区三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 IB= 0 A20A40 A截止区截止区饱饱和和区区60 A80 A第第1章章 1.51.5.4 三极管的主要参数三极管的主要参数 1. 电流放大系数电流放大系数 (1) (1) 直流电流放大系数直流电流放大系数直流电流放大系数直流电流放大系数 (2) (2) 交流电流放大
16、系数交流电流放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数 = IC IB 2. 穿透电流穿透电流 ICEO 3. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 4. 集集-射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 5. 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM极限参数极限参数使用时使用时不允许超过不允许超过!第第1章章 1.5 = IC IB60A0 20A1.52.3在输出特性上求在输出特性上求 , = IC IB =1.5mA40A= 37.5 =IC IB =2.31.5(mA)60 40(A)= 40设设UCE=6V, IB由由40A加为加为60A 。第第1章章 1.5I
17、C / mAUCE /VIB =40A60IB= 0 A20A40 A60 A80 A由三极管的极限参数确定安全工作区由三极管的极限参数确定安全工作区安安全全工工作作区区过过损损耗耗区区PCM曲线曲线第第1章章 1.5IC / mAUCE /VICEOICMU(BR)CEOSiO2结构示意图结构示意图1.6.1 1.6.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管P型硅衬底型硅衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D 1.6 1.6 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管衬底引线衬底引线BN+N+DBSG符号符号1. 结构和符号结构和符号第第1章章 1.6SiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬
18、底耗尽层耗尽层衬底引线衬底引线BN+N+SGDUDSID = 0D与与S之间是两个之间是两个PN结反向串联，结反向串联，无论无论D与与S之间加之间加什么极性的电压，什么极性的电压，漏极电流均接近漏极电流均接近于零。于零。2. 工作原理工作原理(1) (1) (1) (1) U UGSGS =0 =0第第1章章 1.6P型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层ID = 0(2) 0(2) 0 U UGSGS U U UGS(th)GS(th)N型导电沟道N+N+第第1章章 1.6UGS4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型增强型 NMOS 管的特性
19、曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击击穿穿区区可可变变电电阻阻区区246UGS / V3. 特性曲线特性曲线UGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS / V第第1章章 1.6ID /mA结构示意图结构示意图1.6.2 1.6.2 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型绝缘栅场效应管P型硅衬底型硅衬底源极源极S漏极漏极D 栅极栅极G衬底引线衬底引线B耗尽层耗尽层1. 结构特点和工作原理结构特点和工作原理N+N+正离子正离子N N型沟道型沟道SiO2DBSG符号符号制造时制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。第第1章章 1.64321048
20、12UGS =1V2V3V输出特性输出特性转移特性转移特性耗尽型耗尽型NMOS管的特性曲线管的特性曲线 1230V1012123 UGS / V2. 特性曲线特性曲线 ID UGSUGs(off) UDS / VUDS =10V第第1章章 1.6ID /mAID /mAN型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层PMOS管结构示意图管结构示意图P沟道沟道1.6.3 1.6.3 P沟道绝缘栅场效应管（沟道绝缘栅场效应管（PMOS）PMOS管与管与NMOS管管互为对偶关系，使用互为对偶关系，使用时时UGS 、UDS的极性的极性也与也与NMOS管相反。管相反。 P+P+第第1章章 1.6UGSUDS
21、ID1. 1. P沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管开启电压开启电压UGS(th)为为负值，负值，UGS UGS(th) 时导通。时导通。 SGDB符号符号 ID /mAUGS / V0UGS(th) 转移特性转移特性2. 2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型绝缘栅场效应管DBSG符号符号 ID /mAUGS /V0UGS(off) 转移特性转移特性夹断电压夹断电压UGS(off)为为正值，正值， UGS UGS(off)时导通。时导通。 第第1章章 1.6在在UDS =0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。1.6.4 绝缘栅场效
22、应管的主要参数绝缘栅场效应管的主要参数1. 开启电压开启电压UGS(th) 指在一定的指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电下，开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型压。它是增强型MOS管的参数，管的参数，NMOS为正，为正，PMOS为负。为负。2. 夹断电压夹断电压 UGS(off) 指在一定的指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，管的参数，NMOS管是负值，管是负值，PMOS管是正值。管是正值。3. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS（DC）4. 低频跨导低频跨导 gm UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导栅源电压的微变量之比称为跨导,即即第第1章章 1.6 另外，漏源极间的击穿电压另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击、栅源极间的击穿电压穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限是管子的极限参数，使用时不可超过。参数，使用时不可超过。gm= ID / UGS UGS =常数常数 跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。力的一个重要参数。 第第1章章 1.6
