晶体二极管晶体三极管场效应晶体管本章小结

,第一节晶体二极管,第二节晶体三极管,第三节场效应晶体管,本章小结,第一章半导体器件,一、PN结,（2）导体：导线内芯使用的铜、铝、铁等金属物质，内部存在大量带负电荷的载流子自由电子，它们的导电能力强，电阻率小于10-4m，称为导体。,第一节晶体二极管,（3）绝缘体：导线外皮使用的橡胶、塑料、陶瓷等物质，内部几乎无载流子，很难传导电流，称为绝缘体。,（1）载流子：可以传导电流的带电粒子。,1本征半导体,（4）半导体：硅、锗等物质的导电性能，优于绝缘体而劣于导体，称为半导体。,特点：有两种载流子。,自由电子：带负电荷。,空穴：带正电荷。,第一节晶体二极管,（5）本征半导体的导电特性,本征半导体：纯度在99.9999999%以上。在外电场的作用下，两种载流子将做相向运动，形成电子电流和空穴电流，总电流为两者之和。,掺杂特性在本征半导体中掺入微量其他元素，其导电能力将显著提高。,热敏特性和光敏特性加热或光照时，本征半导体的导电能力显著提高。,2杂质半导体,（2）N型半导体：在本征硅或锗半导体中，掺入微量5价元素杂质（磷、砷）主要靠电子导电的半导体。,（1）P型半导体：在本征半导体中，掺入微量3价元素杂质（硼、铜）主要靠空穴导电的半导体。,即：空穴是多数载流子，电子是少数载流子。,说明：无论是P型还是N型半导体，其中的正、负电荷量总量是相等的，因而整个半导体保持电中性。且在杂质半导体中，少子浓度虽然很低，但它对温度非常敏感，将影响半导体器件的性能；这是因为温度变化将使本征激发“自由电子空穴对”数量明显增减。至于多子，因其浓度基本上等于杂质浓度，故受温度影响不大。,即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,第一节晶体二极管,第一节晶体二极管,3PN结,PN结：在P型（或N型）半导体中，运用掺杂工艺，使其一部分转换为N型（或P型）。在P型区和N型区的交界面附近，就形成一个不易导电的薄层，称为PN结。,第一节晶体二极管,4PN结的单向导电性,（1）正向偏置P型区接电源正极，N型区接电源负极。,正偏电压产生的外电场抵消了一部分内电压，使内电场的阻碍作用被削弱，两侧多子的相向扩散运动相对增强，少子的相向运动相对减弱，通过PN结的净电流大于零。,正向电流：PN结正偏时，通过PN结的电流，主要由多子的扩散运动形成，称为正向电流。,第一节晶体二极管,负偏电压形成的外电场与内电场方向一致，增强了内电场，仅有少子作漂移运动，形成很小的反向电流，一般为纳安（nA）或微安（A）量级。如图所示。,结论：“正偏导通，反偏截止”的导电特性，称为PN结的单向导电特性。,（2）反向偏置P型区接电源负极，N型区接电源正极。,第一节晶体二极管,（2）特点,（1）外形,PN结的面积小，故结电容小，允许通过的电流也小，适于作高频检波和脉冲数字电路中的开关等。,1点接触型二极管,二、二极管的结构,第一节晶体二极管,（2）特点,（1）外形,2面结合型二极管,PN结的面积大，故结电容大，允许通过的电流也大，适用于整流等低频、大功率电路。,第一节晶体二极管,3二极管的图形符号,箭头所指即二极管正偏导通时的电流方向。字母VD为二极管的文字符号。,第一节晶体二极管,通过二极管的电流I与其两端外加电压V的关系，称为二极管的伏安特性。,三、二极管的伏安特性,实验电路,第一节晶体二极管,图示为测量二极管的正向特性电路。调节RP使二极管两端的正偏电压从零开始逐点增加，读出每一点电压表和毫安表指示的正向电压VF、正向电流IF数据对，列出正向特性数据表。,第一节晶体二极管,以横坐标表示电压V，纵坐标表示电流I的直角坐标平面，作出一系列与上述数据相对应的点，描出光滑曲线，即为二极管的伏安特性曲线。图示为锗二极管和硅二极管的伏安特性曲线。,图示为测量二极管的反向特性电路。通过逐点测量，记录下各点反向电压VR、反向电流IR数据对，列出反向特性数据表。,第一节晶体二极管,死区：当正向电压较小时，正向电流极小，二极管呈现很大的电阻，此部分称为死区。,1正向特性,正向导通：当外加电压大于死区电压后，电流随电压增大而急剧增大，二极管导通。电流IF与电压VF呈非线性关系。,导通电压：硅管约0.7V，锗管约0.3V。,死区电压：硅管约0.5V，锗管约0.2V。,第一节晶体二极管,2反向特性,反向饱和电流：当加反向电压时，二极管反向电流很小，而且在很大范围内不随反向电压的变化而变化，故称为反向饱和电流。,反向电击穿：若反向电压不断增大到一定数值时，反向电流就会突然增大，这种现象称为反向电击穿。电击穿时的反向电压值称为反向击穿电压。,热击穿：二极管击穿时，若不限制电流，由电击穿转变为热击穿，将造成永久性损坏。,3反向击穿特性,第一节晶体二极管,四、二极管的主要参数,二极管未击穿时的反向饱和电流，其值愈小，二极管的单向导电性愈好。,（2）最高反向工作电压VRM,二极管正常使用时允许加的最高反向峰值电压。,（3）反向电流IR,1直流参数,（1）最大整流电流IFM,二极管长时间工作时允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和散热条件决定。,第一节晶体二极管,二极管PN结的等效电容。这个参数愈小，二极管的高频特性愈好。,2交流参数,这个参数给出了二极管工作频率的上限值。,（2）最高工作频率fM,（1）极间电容Ci,第一节晶体二极管,1整流与稳压电路,五、二极管的应用,第一节晶体二极管,整流与稳压是直流电源设备的组成电路。,稳压电路作用：克服电网电压波动和输出负载变化的影响，以输出稳定的直流电压，同时进一步抑制滤波电路未曾滤净的纹波电压。,整流电路作用：整流电路将交流电压变换为直流脉动电压。,（1）整流电路,当为正半周时，二极管导通；负半周时，二极管截止。输出为半周的脉动电压。,第一节晶体二极管,稳压原理,（2）稳压电路,稳压管反向击穿后的伏安特性十分陡峭。通过稳压管的IZ电流有很大变化时量IZ时，其端电压VZ的变化量VZ却很小。如图所示。,第一节晶体二极管,当输入电压VI不变，负载RL变化时，如RL减小，VO将随之减小，,稳压过程,注意：选取限流电阻R时，要注意负载电流最大时，应当使稳压管中的实际电流大于最小稳定电流Imin。,由于稳压二极管VZ与负载RL并联，故称为并联式稳压电路。,当负载RL不变，输入电压VI变化时，如VI升高，则,第一节晶体二极管,限幅电路又称削波电路，常用来限制输入信号的幅值。图为二极管双向限幅电路。,2限幅电路,第一节晶体二极管,例1-1在图中，R=2k，二极管均为硅管。试计算分别为0V、5V、10V时，VO的数值各是多大？,解：当VI=0V时，二极管VD1、VD2两端偏压为零，二极管截止，VO=0V。,当VI=+5V、+10V时，二极管VD1正偏导通，VD2反偏截止，VO0.7V。,第一节晶体二极管,结论：无论VI是正值还是负值，当它在一个较大数值范围内变化时，输出电压的绝对值均不大于0.7V。,当VI=-5V、-10V时，二极管VD1反偏截止，VD2正偏导通，VO-0.7V。,（1）结构和图形符号,当外加正偏电压时，P型区和N型区的多子在相向扩散、相互复合过程中消耗电能，并释放光子，从而发光。LED发光的颜色，主要取决于半导体材料所掺杂质，有绿、黄、红等多种。,1发光二极管,发光二极管（LED）是将电能转换为光能的半导体器件。,六、其他二极管,第一节晶体二极管,（2）应用,发光二极管广泛用来构成各种显示器件。图（a）为七段数码显示器的电路构成。图（b）为典型外形和段排列。可显示“0”到“9”十个数字。,第一节晶体二极管,利用发光二极管点阵构成的显示屏幕，还可以显示各种静态或动态文字、符号和图像等。如图（c）所示。,第一节晶体二极管,2光电二极管,光电流：由于光照射而形成的电流。大小与光照的强度和光的波长有关。,特性：光电二极管是一种将光信号转变成电信号的半导体器件。光电二极管工作在反向偏置状态。,第一节晶体二极管,3光电耦合器,光电耦合器是由发光器件和光敏器件封装在一起的组合器件。,应用：在自动控制系统中，光电耦合器常用来将控制单元的“弱电”部件与被控制单元的“强电”接口部件之间进行电隔离，以确保系统安全、可靠。,特性：光电耦合器是用光传输信号的电隔离器件。,第一节晶体二极管,一、三极管的结构,1外形和分类,第二节晶体三极管,（1）按半导体材料分：硅管和锗管。,（2）按频率分：低频管和高频管。,（3）按功率分：小、中和大功率管。,（5）按外形分：外引线型和贴片型。,（4）按用途分：普通管和开关管。,第二节晶体三极管,第二节晶体三极管,2结构及符号,在一块半导体基片上制作两个极近的PN结，即构成三极管的管芯。两个PN结把整个半导体分成三部分，按排列顺序，有NPN型和PNP型两种结构。,第二节晶体三极管,三极：发射极e、基极b、集电极c。,三区：发射区、基区、集电区。,发射极箭头所指是发射结正偏导通时的电流方向。VT是三极管的文字符号。,两结：发射结、集电结。,第二节晶体三极管,二、三极管的工作原理,三极管工作时，必须给它的发射结和集电结加偏置电压。用作放大信号时，必须使发射正偏、集电结反偏。,1三极管的工作电压,第二节晶体三极管,第二节晶体三极管,VBB：发射结正偏电源。,VT：三极管。,Rc：集电极电阻。,Rb：基极偏置电阻。,VCC：集电结反偏电源。,第二节晶体三极管,2三极管电路的三种组态,（1）共发射极组态,以基极为输入端，集电极为输出端，发射极为输入回路与输出回路的公共端，如图所示。,第二节晶体三极管,以发射极为输入端、集电极为输出端，基极为输入回路与输出回路的公共端。如图（b）所示。,（2）共基极组态,第二节晶体三极管,以基极为输入端、发射极为输出端，集电极为输入回路与输出回路的公共端。如图（c）所示。,（3）共集电极组态,第二节晶体三极管,3三极管的电流分配和放大作用,（1）三极管的电流分配关系,调节RP，通过三个电流表可分别观测基极电流、集电极电流和发射极电流的变化。,第二节晶体三极管,表1-4三极管中各电流的实测数据,基极电流IB很小，集电极电流IC与发射极电流IE近似相等，即,电流分配关系,基极电流IB与集电极电流IC之和恒等于发射极电流IE，即,第二节晶体三极管,IE=0，IB=0时的两种特殊情况,（a）发射极开路（IE=0）,IB与IC相等。发射极开路时的集电极基极反向饱和电流记作ICBO，如图（a）所示。,第二节晶体三极管,（b）基极开路（IB=0）,ICEOICBO，它们都很小且随温度的升高而增大。ICEO、ICBO越小，三极管的温度稳定性越好。硅管的ICEO、ICBO的均比锗管小得多，因此温度稳定性比锗管好。,IC=IE。基极开路时的集电极发射极电流称为穿透电流，记作ICEO。如图（b）所示。,第二节晶体三极管,（2）三极管的电流放大作用,小电流控制大电流,较小的基极电流IB控制着较大的集电极电流IC。具有直流电流放大作用。,小电流变化控制大电流变化,基极电流IB的较小变化IB控制着集电极电流IC的较大变化IC。具有交流放大作用。,用共发射极直流电流放大系数来表征三极管的直流电流放大能力。,第二节晶体三极管,用共发射极交流电流放大系数来表征三极管的交流电流放大能力,若考虑穿透电流ICBO，则,工程中，一般不区分和，统一用表示，即,结论：三极管是一种具有电流控制作用的电子器件，简称电流控制器件。值表征三极管的电流控制能力。,在IC较大范围内，为恒值，与IC大小无关。,第二节晶体三极管,输入特性：在共发射极电路中，三极管基极对发射极电压VBE和基极电流IB，分别称为三极管的输入电压和输入电流，IB与VBE的对应关系称为三极管的输入特性。,输出特性：在共发射极电路中，三极管集电极对发射极电压VCE和集电极电流IC，分别称为三极管的输出电压和输出电流，IC与VCE的对应关系称为三极管的输出特性。,伏安特性：输入特性与输出特性统称为伏安特性。,三、三极管的伏安特性,第二节晶体三极管,测量三极管伏安特性实验电路如图所示。,第二节晶体三极管,1输入特性曲线,使VCE=0，调节RP，测出若干组VBE、IB数据对，列出数据表。绘出特性曲线。如图中的曲线。,分别使VCE为1V、2V、3V、，调节，测出若干组、数据对，列出数据表。绘出输入特性曲线。,导通电压：硅管0.7V，锗管0.3V。,三极管的输入特性是非线性的。,第二节晶体三极管,2输出特性曲线,（1）截止区：IB=0以下的区域。三极管截止。,IB=0时，IC=ICEO=0。,（2）饱和区：输出特性曲线簇位于临界饱和线左边的区域。,饱和时VCES的值为饱和压降，VCES：硅管为0.3V，锗管为0.1V。发射结和集电结都正偏。,IC不随IB的增大而变化。,第二节晶体三极管,三极管截止时，相当于c、e极间“开关”被关断；饱和时，相当于c、e极间“开关”被接通，因此，工作于截止区和饱和区的三极管是一种无触点开关。,第二节晶体三极管,（3）放大区：位于截止区和饱和区之间的平坦直线部分。,恒流特性：IB一定，不随VCE变化，IC恒定。,IC受控于IB，,（4）总结：,截止区：发射结和集电结均反偏。,三极管的发射结正偏、集电结反偏。,饱和区：发射结和集电结均正偏。,放大区：发射结正偏，集电结反偏。,第二节晶体三极管,解：忽略三极管的ICBO。,例1-2已知三极管的输出特性曲线如图所示。设VCE=6V，求时的值。,第二节晶体三极管,解：,图（a）中UBE=0.7V，等于硅管发射结导通压降;UBE=0.3V，UBC=0.7V-0.3V=0.4V。故集电结正偏。由于发射结和集电结均正偏，故三极管工作在饱和状态。,图（b）中，UBE=0.7V，UBC=0.7V-6V=-5.3V，故集电结反偏。由于发射结正偏，集电结反偏，故三极管工作在放大状态。,例1-3图示三极管为硅管，各管脚对地电位如图所注，说明它们工作在什么状态。,第二节晶体三极管,四、三极管的主要参数,1共发射极电流放大系数,3穿透电流ICEO,2集电极基极反向饱和电流ICBO,选用三极管时，要求ICEO尽量小些。,4饱和压降VCES,此值约为0.3V。,第二节晶体三极管,5开关时间,三极管输入开通信号瞬间开始到输出电流IC上升到最大值的90%所需要的时间。,在开关三极管的输入端加入如图（a）所示的矩形波形开关电压时，其输出电流不再是矩形，上升沿（前沿）和下降沿（后沿）都延迟了一段时间，如图（b）所示。,（1）开通时间ton,（2）关闭时间toff,三极管输入关闭信号瞬间开始到输出电流IC降低到最大值的10%所需要的时间。,第二节晶体三极管,6极限参数,（1）集电极最大允许电流ICM,（2）集电极最大允许耗散功率PCM,集电结上允许功耗的最大值。三极管应工作在三极管最大损耗曲线图中的安全工作区。,基极开路，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。B表示击穿，R表示反向。工作电压如果超过此值，则会呈现电击穿，甚至热击穿而使三极管永久性损坏。,（3）集电极发射极反向击穿电压,第二节晶体三极管,一、MOS管的工作原理,1增强型NMOS管,第三节场效应晶体管,特点：,P型衬底扩散两个高浓度N型区，引出两电极：源极S和漏极D。,P型衬底的绝缘层覆盖一层金属，引出栅极G。,三个电极：漏极（D），源极（S），栅极（G）。,（1）结构和图形符号,（2）工作原理,VGG、RG：栅极偏置电源和偏置电阻，产生偏置电压VGS。,VDD、RD：漏极电源和漏极电阻，产生漏极电流ID，并形成合适的漏源电压VDS。,第三节场效应晶体管,当VGS=0时，漏极电流ID0，处于截止状态。,VGSVGS(th)，产生漏极电流ID。改变VGS，就可控制N沟道的宽度，进而控制漏极电流ID的大小。,结论：在同样的VDS作用下，VGS越大，N沟道越宽，ID也越大，实现了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制。,正常工作时，漏源极间和栅源极间均应外加正向电压，且VDSVGS0。,第三节场效应晶体管,2耗尽型NMOS管,结构：与增强型NMOS管比较，不同之处在于层有大量正离子。,（1）电路和图形符号,沟道线连续为增强型；沟道线不连续为耗尽型。,符号：衬底的箭头方向表示PN结加正向电压时的电流流动方向。,第三节场效应晶体管,（2）工作原理,当VGS0并上升，N沟道变宽，IDIDIDSS。,当VDS0时，VGS=0有ID（称为原始漏极电流），记作IDSS。,当VGS0并增大负电压，N沟道变窄，IDIDVGS(th)，ID0。,（2）耗尽型,VGS=0，ID=IDSS（原始漏极电流）。,VGS0，IDIDSS。,VGSVGS(th)，ID=0。,第三节场效应晶体管,2输出特性,在VGS一定的条件下，漏极电流ID与漏源电压VDS的关系。,又称变阻区，VDS很小，若VGS不变，则ID基本上随VDS增加而线性上升，导电沟道基本不变。当VDS很小时，VGS越大，沟道电阻越小，MOS管可看成为受VDS控制的线性电阻器。,（1）非饱和区,（2）饱和区,只要VGS不变，ID基本不随VDS变化，趋于饱和或恒定，又称恒流区。且ID与VGS呈线性关系，又称线性放大区。,第三节场效应晶体管,（3）击穿区,当VDS增大到超过漏区与衬底间的PN结所能承受的极限时，ID急剧上升，不再受VGS控制。,（4）截止区,增强型，VGSVGS(th)导电沟道未形成。ID=0。,耗尽型，VGSVGS(off)导电沟道被夹断。ID=0。,第三节场效应晶体管,三、MOS管的主要参数,1直流参数,（1）开启电压VGS(th),（2）夹断电压VGS(off),（3）饱和漏极电流IDSS,第三节场效应晶体管,栅源极间电压VGS与对应的栅极电流IG的比值，称为MOS管的直流输入电阻RGS。,（4）直流输入电阻RGS,2交流参数,在漏源电压VDS一定时，漏极电流的变化量iD与引起这个变化的栅源电压变化量VGS的比值，即,（1）跨导,单位：s或ms。,（2）极间电容,场效应晶体管三个电极之间的等效电容CGS、CDS和CGD。,第三节场效应晶体管,3极限