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1、第第1章章 半半导体二极管、三极管和体二极管、三极管和场效效应管管1.2 PN1.2 PN结1.3 1.3 半半导体二极管体二极管 1.4 1.4 稳压管管1.5 1.5 半半导体三极管体三极管 1.6 1.6 绝缘栅场效效应管管第第1章章 目录目录1.1 1.1 半半导体的体的导电特性特性在在热力学温度零度力学温度零度和没有外界激和没有外界激发时,本征半本征半导体不体不导电。 把把纯真的没有构真的没有构造缺陷的半造缺陷的半导体体单晶晶称称为本征半本征半导体。体。 它是共价它是共价键构造。构造。 本征半导体的共价键构造本征半导体的共价键构造硅原子硅原子价电子价电子第第1章章 1.11.1.1
2、本征半本征半导体体 +4+4+4+4+4+4+4+4+41.1 1.1 半半导体的体的导电特性特性+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在自在电子子空空穴穴本征激发本征激发复合复合在常温下自在在常温下自在电子和空穴的构成子和空穴的构成成成对出出现成成对消逝消逝第第1章章 1.1+4+4+4+4+4+4+4+4+4外外外外电场电场方向方向方向方向空穴空穴导电的本的本质是共价是共价键中的束中的束缚电子依次填子依次填补空穴构成空穴构成电流。流。故半故半导体中有体中有电子和空穴两子和空穴两种种载流子。流子。 空穴挪动方向空穴挪动方向 电子挪动方向电子挪动方向 在外电场作用下，在外电场作用下，电子和空穴
3、均能电子和空穴均能参与导电。参与导电。 价价电子填子填补空穴空穴第第1章章 1.1+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2 P1.1.2 P半半导体和体和N N型半型半导体体1 . N 型半导体型半导体在硅或在硅或锗的晶体的晶体中中 掺入少量的入少量的五价元五价元 素素,如磷如磷,那么构成那么构成N型半型半导体。体。 磷原子磷原子+4+5多余价多余价电子子自在电子自在电子正离子正离子第第1章章 1.1 N 型半导体构造表示图型半导体构造表示图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子在在N型半型半导中中,电子是多数子是多数载流子流子, 空穴是少数空穴是少数载流子。流子。第第1章章
4、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在硅或锗的晶体中的晶体中 掺入少量的三价元入少量的三价元 素素,如硼如硼,那么构成那么构成P 型型半半导体。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 型半导体构造表示图型半导体构造表示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 结的构成的构成 用用专门的制造工的制造工艺在同一在同一块半半导体体单晶上晶上, ,构成构成 P P型半型半导体区域体区域 和和 N N型半型半导体区域体区域, ,在在这两个区
5、域的交界两个区域的交界处就构成了一个就构成了一个PN PN 结。N区的电子向区的电子向P区分散并与空穴复合区分散并与空穴复合P区的空穴向区的空穴向N区分散并与电子复合区分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 PN 1.2 PN 结第第1章章 1.2多子分散多子分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，多子分散与少子漂移到达动态平衡，在一定的条件下，多子分散与少子漂移到达动态平衡， 空间电荷区的宽度根本上稳定下来。空间电荷区的宽度根本上稳定下来。 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
6、PN 结的的单导游游电性性P 区区N 区区外外电场驱使使P区的空穴区的空穴进入空入空间电荷区抵消一部分荷区抵消一部分负空空间电荷荷N区区电子子进入空入空间电荷区荷区抵消一部分正空抵消一部分正空间电荷荷空间电荷区变窄空间电荷区变窄 分散运分散运动加加强，形，形成成较大的正向大的正向电流流1. 外加正向外加正向电压第第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IR2. 2. 外加反向电压外加反向电压外外电场驱使空使空间电荷区两荷区两侧的空穴和自在的空穴和自在电子移走子移走少数少数载流子越流子越过PN结构成很小的反向构成很小的反向电流流
7、多数多数载流子的分散运流子的分散运动难于于进展展第第1章章 1.21.2.3 PN结电容容PN结电容容势垒电容容 分散分散电容容 1. 势垒电容容 PN结中空中空间电荷的数量随外加荷的数量随外加电压变化所形化所形成的成的电容称容称为势垒电容，用容，用 Cb 来表示。来表示。势垒电容不是常数，与容不是常数，与PN结的面的面积、空、空间电荷区的荷区的宽度度和外加和外加电压的大小有关。的大小有关。 载流子在分散流子在分散过程中程中积累的累的电荷量随外加荷量随外加电压变化所化所构成的构成的电容称容称为分散分散电容，用容，用 Cd 与来示。与来示。 PN正偏正偏时，分散，分散电容容较大，反偏大，反偏时，
8、分散，分散电容可以忽略容可以忽略不不计。2. 分散分散电容容 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 二极管的构造和符号二极管的构造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 半半导体二极管体二极管 正极引线正极引线二氧化硅维护层二氧化硅维护层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反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性1.
9、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. 最大整流最大整流电流流IOM2. 反向任反向任务峰峰值电压URM3. 反向峰反向峰值电流流IRM 例例1：以下：以下图中，知中，知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，管，求求输出端出端Y的的电位并位并阐明二极管的作用。明二极管的作用。 解：解： DA优先先导通，那么通，那么VY=30.3=2.7VDA导通后通后, DB因
10、反偏而截因反偏而截止止,起隔离作用起隔离作用, DA起起钳位作用位作用,将将Y端的端的电位位钳制在制在+2.7V。 DA 12VYABDBR 二极管的运用范二极管的运用范围很广很广,它可用与整流、它可用与整流、检波、限幅、波、限幅、元件元件维护以及在数字以及在数字电路中作路中作为开关元件。开关元件。 第第1章章 1.3DE3VRuiuouRuD 例例2：以下图是二极管限幅电路，：以下图是二极管限幅电路，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 / Vuo /V63300 2 2 6第第1章章 1.3 t 630 2
11、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管是一种特殊的面接触型半面接触型半导体二极管。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. 最小最小稳定定电流流 Imin 3. 最大最大稳定定电流流 IZmax4. 动态电阻阻 RZ IZ UZRZ = IZ UZ5. 电压温度系数温度系数 VZT6
12、. 最大允最大允许耗散功率耗散功率PM第第1章章 1.4IFUFIminIZmaxN型硅型硅二氧化硅维护膜二氧化硅维护膜BECN+P型硅型硅1.5.1 半半导体三极管的构造体三极管的构造a 平面型平面型N型锗型锗ECB铟球铟球铟球铟球PP+b合金型合金型1. 5 1. 5 半半导体三极管体三极管第第1章章 1.51. NPN 型三极管型三极管集集电区区集集电结基区基区发射射结发射区射区NN集集电极极C基极基极B发射极射极E 三极管的构造三极管的构造 分类和符号分类和符号PECB符号符号第第1章章 1.5集集电区区集集电结基区基区发射射结发射区射区CBEN集集电极极C发射极射极E基极基极BNPP
13、N2. 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 三极管的三极管的电流控制造用流控制造用三极管具有三极管具有电流控流控制造用的外部条件制造用的外部条件 : 1发射射结正向偏置；正向偏置；2集集电结反向偏置。反向偏置。对于于NPN型三极管型三极管应满足足: UBE 0UBC VB VE对于于PNP型三极管型三极管应满足足: UEB 0UCB 0即即 VC VB IB同同样有有: IC IB所以所以说三极管具有三极管具有电流控制造用流控制造用,也称之也称之为电流放大作用。流放大作用。IBUBE0UCE 1
14、V死区电压死区电压1. 三极管的三极管的输入特性入特性IB = f (UBE )UC E = 常数常数1.5.3 三极管的特性曲三极管的特性曲线第第1章章 1.5IB =40AIB =60AUCE 0IC IB添加添加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任务区三极管输出特性上的三个任务区 IB= 0 A20A40 A截止区截止区饱和和区区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. 电流放大系数流放大
15、系数 (1) (1) 直流直流直流直流电电流放大系数流放大系数流放大系数流放大系数 (2) (2) 交流交流交流交流电电流放大系数流放大系数流放大系数流放大系数 = IC IB 2. 穿透穿透电流流 ICEO 3. 集集电极最大允极最大允许电流流 ICM 4. 集集-射反相射反相击穿穿电压 U(BR)CEO 5. 集集电极最大允极最大允许耗散功率耗散功率 PCM极限参数极限参数运用时不允许超越运用时不允许超越!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
16、40(A)= 40设UCE=6V, IB由由40A加加为60A 。第第1章章 1.5IC / mAUCE /VIB =40A60IB= 0 A20A40 A60 A80 A由三极管的极限参数确定平安任务区由三极管的极限参数确定平安任务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构造表示构造表示图1.6.1 N1.6.1 N沟道加沟道加强型型绝缘栅场效效应管管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 绝缘栅场效效应管管衬底引线衬底引线BN+N+DBSG符号符号1. 构造和符号构造和符
17、号第第1章章 1.6SiO2构造表示图构造表示图P型硅衬底型硅衬底耗尽层耗尽层衬底引线衬底引线BN+N+SGDUDSID = 0D与与S之之间是两个是两个PN结反向串反向串联，无无论D与与S之之间加加什么极性的什么极性的电压，漏极漏极电流均接近流均接近于零。于零。2. 任务原理任务原理(1) UGS =0(1) UGS =0(1) UGS =0(1) UGS =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 UGS UGS(th)(2) 0 UGS UGS(th)(3) UGS UGS(th)N型导电沟道N+N+第第1章章 1.6UGS432105101
18、5UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V加强型加强型 NMOS NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿穿区区可可变电阻阻区区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构造表示图构造表示图1.6.2 N1.6.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型绝缘栅场效效应管管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. 构造特点和任务原理构造特点和任务原理N+N+正离子正离子N N型沟道型沟道SiO2DBSG符号符号制造制造时,在二氧化硅在二氧化
19、硅绝缘层中中掺入大量的正离子。入大量的正离子。第第1章章 1.6432104812UGS =1V2V3V输出特性输出特性转移特性转移特性耗尽型耗尽型NMOSNMOS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管构造表示管构造表示图P沟道沟道1.6.3 P1.6.3 P沟道沟道绝缘栅场效效应管管PMOSPMOSPMOS管与管与NMOS管管互互为对偶关系，运用偶关系，运用时UGS 、UDS的极性的极性
20、也与也与NMOS管相反。管相反。 P+P+第第1章章 1.6UGSUDSID1. P1. P沟道加强型绝缘栅场效应管沟道加强型绝缘栅场效应管开启开启电压UGS(th)为负值，UGS UGS(th) 时导通。通。 SGDB符号符号 ID /mAUGS / V0UGS(th) 转移特性转移特性2. P2. P沟道耗尽型沟道耗尽型绝缘栅场效效应管管DBSG符号符号 ID /mAUGS /V0UGS(off) 转移特性转移特性夹断断电压UGS(off)为正正值， UGS UGS(off)时导通。通。 第第1章章 1.6在在UDS =0时，栅源源电压与与栅极极电流的比流的比值，其，其值很高。很高。1.6
21、.4 绝缘栅场效效应管的主要参数管的主要参数1. 开启开启电压UGS(th) 指在一定的指在一定的UDS下，开下，开场出出现漏极漏极电流所需的流所需的栅源源电 压。它是加。它是加强型型MOS管的参数，管的参数，NMOS为正，正，PMOS为负。2. 夹断断电压 UGS(off) 指在一定的指在一定的UDS下，使漏极下，使漏极电流近似等于零流近似等于零时所需的所需的栅源源电压。是耗尽型。是耗尽型MOS管的参数，管的参数，NMOS管是管是负值，PMOS管是正管是正值。3. 直流直流输入入电阻阻 RGSDC4. 低低频跨跨导 gm UDS为常数常数时，漏极，漏极电流的微流的微变量与引起量与引起这个个变化的化的栅源源电压的微的微变量之比称量之比称为跨跨导,即即第第1章章 1.6 另外，漏源极另外，漏源极间的的击穿穿电压U(BR)DS、栅源极源极间的的击穿穿电压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，运用参数，运用时不可超越。不可超越。gm= ID / UGS UGS =常数常数 跨跨导是衡量是衡量场效效应管管栅源源电压对漏极漏极电流控制才流控制才干的一个重要参数。干的一个重要参数。 第第1章章 1.6
