第1A章 基本半导体分立器件

第1章基本半导体分立器件,本章点睛,各种基本电子器件,能完成某种功能的电子电路,复杂的电子电路系统,电子技术尹常永主编,问题1：这一章要学什么呢?问题2：“分立”是什么意思？问题3：顾名思义，半导体器件一定是由半导体材料制成的，为什么其他材料，比如说导体不能作为构成电子器件的主要材料呢？,退出,退出,1.1半导体基础知识与PN结,主要要求：,了解半导体材料的基本知识,理解关于半导体的基本概念,理解PN结的形成,掌握PN结的单向导电作用,退出,常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），高纯度的硅和锗都是单晶结构，它们的原子整齐地按一定规律排列，原子间的距离不仅很小，而且是相等的。把这种纯净的、原子结构排列整齐的半导体称为本征半导体。,1.1.1本征半导体,硅和锗的外层价电子都是4个，所以都是4价元素，右图是硅和锗的原子结构示意图。,（a）硅原子结构（b）锗原子结构,退出,这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示：,价电子（热激发）,自由电子-空穴对,硅（锗）原子在晶体中的共价键排列,复合,平衡,1.本征激发与复合,退出,2.自由电子运动与空穴运动,I=In（电子电流）+Ip（空穴电流）,IN,IP,外电路中的电流I,退出,本征半导体实际使用价值不大，但如果在本征半导体中掺入微量某种杂质元素，就形成了广泛用来制造半导体元器件的N型和P型半导体。,1.1.2杂质半导体,根据掺入杂质的不同掺杂半导体可以分为,N型半导体,P型半导体,退出,（1）N型半导体杂质为少量5价元素，如磷（P）；（2）P型半导体杂质为少量3价元素，如硼（B）。,1.1.2杂质半导体,N型,磷原子,自由电子,自由电子多数载流子,空穴少数载流子,载流子数电子数,P型,硼原子,空穴,空穴多子,自由电子少子,载流子数空穴数,退出,注意：无论是N型还是P型半导体都是电中性，对外不显电性！,退出,1.1.3PN结形成与单向导电性,退出,1.1.3PN结形成与单向导电性,载流子浓度差,复合,(耗尽层),内电场阻碍多子扩散帮助少子漂移,扩散漂移动态平衡,注意：动态平衡的PN结交界面上无电流流过，即I=0。,内电场,PN结的形成,多子扩散,空间电荷区,平衡PN结,P区,N区,1.1.3PN结形成与特性,（1）PN结的正向导通特性正偏导通（P区电位高于N区）,内电场,外电场,所以，正偏时扩散运动增强，漂移运动几乎减小为0，宏观上形成很大的正向电流IF。外电场越强，正向电流越大，PN结的正向电阻越小。,P区,N区,多子空穴,多子自由电子,正向电流IF,退出,1.1.3PN结形成与特性,（2）PN结的反向截止特性反偏截止（P区电位低于N区）,P区,N区,少子自由电子,少子空穴,反向电流IR,所以，反偏时漂移运动增强，扩散运动几乎减小为0，由于少子数目较少，宏观上形成极小的反向电流IR（接近于0）。外电场增强，反向电流也几乎不增加，PN结的反向电阻很大。,退出,1.1.3PN结形成与特性,要记住：（1）外加正向电压时PN结的正向电阻很小，电流较大，是多子扩散形成的；（2）外加反向电压时PN结的反向电阻很大，电流极小，是少子漂移形成的。要注意：PN结电路中要串联限流电阻。,退出,退出,1.2二极管,主要要求：,了解半导体二极管的结构、类型、特性与参数,掌握半导体二极管在电子技术中的应用,退出,1.2.1二极管概述,一个PN结加上相应的外引线，然后用外壳封装就成为最简单的二极管了，其中，从P区引出的引线叫做阳极或正极、从N区引出的引线叫做阴极或负极。常用D（Diode）表示二极管。,图中的箭头表示正偏时的正向电流方向。,退出,1.二极管的符号与常见外形,分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,1.常见二极管的外形,2.二极管的伏安特性,半导体二极管的内部就是一个PN结，因此二极管具有和PN结相同的单向导电性，实际的二极管伏安特性曲线如下图所示：,u/V,i/mA,正向特性,死区电压,反向特性,IS,0,A,击穿电压,击穿特性,反向电流,硅管2CP12,锗管2AP9,退出,3.二极管的特性与参数,PN结的正向和反向电流与外加电压的关系可以用公式表示为：,反向饱和电流,温度的电压当量，常温下：UT=26mV,当U0时为正向特性；当U0时为反向特性。,退出,3.二极管的特性与参数,2.二极管的主要参数,（1）最大整流电流IF指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。,（2）最高反向工作电压UBR指二极管不击穿时所允许加的最高反向电压，UBR通常是反向击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。,（3）反向电流IR在常温下和规定的反偏电压下的反向电流。,退出,1.2.2稳压二极管,【相关链接】稳压二极管的温度特性,1.2.3发光二极管,1.发光二极管的符号及特性,发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED（LightEmittingDiode）。,和普通二极管相似，LED也是由一个PN结组成的，当正向导通时可以发出一定波长的可见光，常有红、绿、黄等颜色。,也有可以发出红外光等不可见光的发光二极管。,退出,1.2.3发光二极管,发光二极管具有驱动电压低、工作电流小、具有很强的抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛应用于信号指示等电路中。,一般LED的工作电流为几十mA，正向导通压降为（1.53)V，安全使用电压应选择5V以下。,退出,1.2.3发光二极管,（a）反偏（b）正偏,1.2.4二极管的应用电路举例,二极管是电子电路中常用的半导体器件，利用其单向导电性和正向压降很小的特点，可应用于整流、检波、钳位、限幅、开关以及元件保护等各项工作。,1.整流应用整流就是利用二极管的单向导电特性将交流电变成单方向脉动的直流电的过程，这部分内容将在第6章作详细介绍。,退出,1.2.4二极管的应用电路举例,2.限幅,利用二极管正向导通后两端电压很小且基本不变的特性可以构成各种限幅电路，使输出电压限制在某一电压值以内。下图为一正、负对称限幅电路:ui=5sint（V），US1=US2=3V。可见，如忽略二极管正向导通压降，输出被限制在大约3V之间。,退出,1.2.4二极管的应用电路举例,3.稳压应用4.开关应用,退出,图1.2.8光电耦合装置的应用,5光电转换与隔离,二极管的极性判别与性能测试:（1）二极管的极性判别（2）性能测试,退出,1.3晶体管,主要要求：,了解半导体晶体管的结构、类型与参数,掌握半导体晶体管的电流分配关系,掌握半导体晶体管的特性曲线的含义,理解晶体管的放大作用,了解复合晶体管的概念与意义,退出,晶体管的结构,1.3.1晶体管的结构和类型,发射极E,基极B,集电极C,发射结,集电结,基区,NPN型,三区,三极,两结,集电区,基区,发射区,集电极Collector,基极Base,发射极Emitter,集电结,发射结,集电区,发射区,PNP型,常见三极管的外形与实物,退出,下面以NPN管为例讨论晶体管的电流分配与放大作用，所得结论一样适用于PNP三极管。,1.3.2晶体管的基本工作原理,注意：晶体管放大的条件,晶体管电流关系实验电路,1.晶体管的电流分配关系,1.晶体管的电流放大作用,三极管的电流放大作用,退出,晶体管电流分配和放大作用,正偏使发射结,使集电结反偏,1.发射区向基区发射电子，形成发射极电流IE的主要成份。,2.基区中电子的复合形成基极电流IB的主要成份。,3.集电区收集电子形成集电极电流IC的主要成份。,退出,综上所述，得到三极管的电流分配关系：（1）IE=IC+IB（2）IC=IB（3）IE=IC+IB=（1+）IBIC晶体管中还有一些少子电流，比如ICBO，通常可以忽略不计，但它们对温度十分敏感。,退出,1.3.3晶体管的特性曲线,晶体管有三个电极，因此，分别将三极管的三个电极作为输入端、输出端和公共端，有三种不同的三极管电路的组成方式。根据公共电极的不同，分别叫做共发射极电路、共集电极电路和共基极电路。,退出,1.3.3三极管的特性曲线,1.输入特性曲线,uCE1V，集电结反偏，电场足以将发射区扩散到基区的载流子吸收到集电区形成IC，uCE再增大曲线也几乎不变,死区电压与导通电压UBE,硅管分别约为0.5V和0.7V,锗管分别约为0.1V和0.3V,（1）截止区iB=0曲线以下的区域：iC=ICEO0，两结均反偏，三极管各电极电流均约等于0，所以可以等效为断开的开关；,退出,1.3.3三极管的特性曲线,2.输出特性曲线,放大区,（2）放大区在iB=0的特性曲线上方，近似平行于横轴的曲线族部分：iC基本不随uCE变化仅受iB控制，iC=iB，发射结正偏、集电结反偏，相当于受控电流源。,（3）饱和区输出特性曲线近似直线上升部分：三极管饱和时管压降uCE很小，叫做饱和压降uCES，两结均正偏，相当于闭合开关。,退出,1.3.4三极管的主要参数,1.电流放大系数,交流电流放大系数,直流电流放大系数,交流、直流电流放大系数的意义不同，但在输出特性线性良好的情况下，两个数值的差别很小，一般不作严格区分。,退出,1.3.4三极管的主要参数,2.极间反向电流,集、基间反向饱和电流,集、射间反向饱和电流（穿透电流）,测试电路,测试电路,反向电流受温度影响大越小越好,退出,1.3.4三极管的主要参数,3.极限参数,集电极最大允许电流,反向击穿电压,集电极最大允许耗散功率,集电极电流超过一定数值时要下降,击穿时三极管电流急剧增大，会使三极管损坏,功耗过高会烧毁三极管,3.极限参数,和,4.温度对晶体管参数的影响,晶体管受温度影响较大的参数是,1.3.5晶体管在电子技术的应用,1.放大应用2.开关应用,（a）开关电路（b）截止时的等效电路（c）饱和时的等效电路,【相关链接】你会用万用表对三极管的电极与性能进行简单的测试吗？,退出,1.4场效晶体管,主要要求：,了解场效应管的结构、特点,了解场效应管的原理、特性曲线与参数,场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体三极管，是利用一种载流子导电的单极型器件。特点：具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点，制作工艺简单、便于集成。,退出,1.N沟道增强型绝缘栅场效应管MOSFET的结构(MentalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor),1.4.1绝缘栅场效应管的原理和特性,P型硅衬底,S源极Source,G栅极Gate,D漏极Drain,还有多种其他类型的场效应管，比如这是P沟道耗尽型场效应管的符号：,退出,1.4.1绝缘栅场效应管的原理和特性,2.场效晶体管的电压控制作用,1）MOS管的栅极是绝缘的，因此管子的输入电阻可达1010欧姆以上，故iG0。所以和三极管不同的是：场效应管不是用栅极电流来控制漏极输出电流的，而是利用输入栅源电压UGS来控制漏极输出电流ID，是电压控制器件；,2）和三极管的类似的参数是低频跨导,3）在场效应管的放大作用中，少子并不参与控制作用，是单极型器件,退出,1.4.1绝缘栅场效应管的原理和特性,3.增强型NMOS管的特性曲线（1）转移特性曲线（2）漏极特性曲线,退出,1.4.2场效应管的主要参数,1.开启电压当uDS为常数时，有沟道将漏、源极连接起来的最小|uGS|值，称开启电压。,2.低频跨导gmuDS为定值时，iD的变化量与引起该变化的uGS的变化量的比值，它代表了场效应管的电压控制能力，即,3.漏源击穿电压U（BR）DS,4.最大耗散功率PDM,5.最大漏极电流IDM,退出,1.4.2场效应管与双极型三极管比较,1晶体三极管BJT是电流控制器件，场效应管FET是电压控制器件，场效应管的跨导gm比较小，其放大作用远低于晶体三极管。,2在仅允许取少量信号源电流的情况下，应选用场效应管构成放大电路；在允许取一定输入电流的情况下，可以选用三极管构成放大电路。,3三极管是双极型器件，场效应管是利用多子导电的单极型器件，所以场效应管的温度稳定性好，在温度变化较大的场合，宜选用场效应管。,4场效应管的制造工艺简单，便于集成，特别适用于制造集成电路。5对于结型FET和衬底不与源极相连