半导体基本器件

1、第二章半导体基本器件内容提要【了解】半导体的相关知识【熟悉】二极管（即PN结）的单向导电性及主要参数【了解】三极管的电流放大原理【熟悉】三极管输出特性曲线的三个工作区及条件和特点、主要参数【了解】MOST的工作原理、相应的三个工作区以及与三极管的性能 区别一. 一.网上导学二. 二.典型例题三. 三.本章小结四. 四.习题答案 网上导学:了解半导体基础相关知识：1.半导体（导电性能介于一）;2.本征半 导体（纯净，晶体）、共价键（共用电子对）；热激发：自由电子-空穴 对、载流子、复合、浓度（微量,温度影响）与掺杂半导体：N型（五 价磷）、P型半导体（三价硼）、多子、少子；3.PN结：扩散、不能

2、 移动的离子、空间电荷区、内电场 EIN、阻挡层、漂移、动态平衡。（p38p41）瞰1百|« ffbTE本征半导体 掺杂半导体（a）多子扩散（b）PN空间电荷区结PN结形成和单向导电性一. 一.PN结（二极管）的单向导电性:p41（a）正向偏置（b）反向偏置團单向导电性砒1.4.莎1. PN结内部扩散和漂移的动态平衡（空间电荷区的调节作用）；2. 外加电压（外电场）打破原有的平衡（加正向偏压，削弱了内电场的作 用，有利于扩散，形成较大的正向电流，导通；加反向偏压，增强 了内电场的作用，有利于漂移，形成微弱的反向电流，截止）；3. 熟悉PN结（即二极管）的伏安特性（iu）:硅和错的导通

3、电压 UON 分别为0.5V和0.1V、正向电压降UD分别为0.60.8V和0.1 0.3V, 击穿电压U（RB）、二极管符号、主要参数（p43,最大正向电流IF、 反向击穿电压U（RB）、反向电流IR等）及应用（数字：开关；模拟：整流、限幅）；稳压管：正常工作在反向击穿状态，为了使稳压管 不会因过流而损坏，应当在电路中加限流电阻（见图 2.1.9）,主要 参数UZ IZ、IZM。二极管、三极管和 MOSt稳压管电路劑"©了解三极管电流放大原理：（1）发射结正偏，其正向电流主要是由发射区的多子向基区扩散所形成的电流I&因为发射区重掺杂而基区掺杂浓度很低，故基区的多子

4、向发射区扩散可以忽略）;（2）注入到基 区的多子在基区的复合和继续扩散；（3）复合所形成基极复合电流 IBN（IB）很小,大部分扩散被集电结反向偏置电场吸引到集电区，形成较大的集电极收集电流ICN（ - IC）（因为基区薄、掺杂浓度低4 集电结反偏）。从而实现了三极管电流放大作用即（3 =IC/IB1。三极管的电流放大作用就是利用发射区注入的多子在基区的扩散电 流（IC）大大超过复合电流（IB）而实现的；了解三极管的两种类型(NPN,PNP)。两种类型劭上.I.山二. 三极管三个工作区（截止、放大、饱和）条件和特点、输出特性曲线：p481. 截止区：当ui v UON截止区,iB0,iC0；2

5、. 放大区：当 ui > UON且 UB< UC或 iB v IBS,放大区，iC二 3 iB ；3.饱和区：当ui > UON,且UB >UC,或iB >IBS,饱和区,uCE二UCES0。（a）电路（b）输出特性曲线ST输出特性曲线 图2.2,2. gif了解三极管的主要参数（p50）和应用（2.2.1 P51）以及三极管放大 电路的三种组态（P54）。了解MOS管的工作原理（NMOS管）和相应的三个工作区（夹断区、 可变电阻区、恒流区P57）以及与三极管的差别（单、双极型，电压、 电流控制电流源，输入电阻高、低）。典型例题分析下图所示电路在输入电压 Ui为以

6、下各值时，判断晶体管的工 作状态（放大、截止或饱和状态）。（l）Ui二0;（2）Ui=3V;（3）Ui= 5V。nu -SV提示：把图中虚线框内的电路用戴维南定理化简后再分析。 解求图中虚线框内的电路用戴维南等效电路表示：UOC=Ui*40心0+40）+U SBW（10+40）=0.8 Ui+0.2 U SB （迭力口定理）R0 =40 / 10 =40*10/(40+10) =8 Q ;(1) Ui二 0, U OC=0.8*0+0.2*(-5)=-1V v UON硅管为 0.5V) ,三极 管截止；(2) Ui= 3V, UOC=0.8*3+0.2*(-5)=1.4V >UON三极管

7、工作在放大 或饱和状态 ,求 ICS=(USC-UCES)/RC USC/RC=10/仁10mA,则ICS/ p=10/50=0.2mA,求 IB=( UOC-UBE)/R0=(1.4-0.7)/8=0.0875mA v ICS/ p ,故工 作在放大状态；(3) Ui= 5V, UOC=0.8*5+0.2*(-5)=3V >UON ,求 IB=(3-0.7)/8=0.2875mA >ICS/p , 故 工作在饱和状态。本章小结一、半导体二极管由P型和N型半导体组成的PN结具有单向导电性。 二极管分为硅管和错管两种类型。硅管的导通电压约为0.5V，管子导通后管压降约为0.60.8V

8、;错管的导通电压约为0.1V，管子导通 后管压降约为00.3V。二极管在模拟电路中常作为整流元件或非 线性元件使用;在数字电路中，常作为开关元件使用。二、晶体三极管是一种电流控制电流源型器件，其输出特性曲线分为截止区、放大区和饱和区。NPN型硅管，当uBE< 0.5V时，管子截止，即iB=0 , iC =0; 当 UBEO.7V 且 uCE= UCES=0.3Vt(UCV UB或 iB >IBS= IBS/ p=(Uc- UCES)/(Rc* p)，管子处于饱和状态，当 uBE0.7V且uCE> 0.3V时(UC> UB或iB v IBS，管子处于放大状态，且iC= p

9、B。管子的放大 区多应用于模拟电路，截止区及饱和区多应用于数字电路。三、MO场效应管是一种电压控制电流源型器件。控制量取自GS极电压而不是电流iGoMOST的输入电阻rGS值很高约为10【1012角 iG P。MOS管的输出特性曲线分为夹断(截止)区、恒流区和可变 电阻区。增强型NMO管的uGS< UTN时，管子截止，iD P。当uGS> UTN时时，管子导通，若uDS值较小，则工作于可变电阻区，D S极 之间相当于一个小值电阻rDS(ON);若uDS值较大，则工作于恒流区， iD不随uDS的变化而变化。管子的恒流区多用于模拟电路，而夹断 区、和可变电阻区多用于数字电路。对于二极管

10、、三极管及场效应管，都应掌握它们的特性曲线及主要 参数。本章重点、难点：重点:PN结的单向导电性，三极管（NPN管）的三个工作区的条件和 特点；难点:三极管电流放大原理、 MOS 场效应管的工作原理。习题、答案 习题 思考题1什么是二极管的单向导电性？2理想二极管指的是什么？3什么是二极管的反向恢复时间？4稳压二极管电路中的限流电阻有何作用？5共发射极三极管电路的放大作用是如何实现的？6如何判断三极管工作状态：截止区？放大区？还是饱和区？7三极管的开启时间和关闭时间指的是什么？8. MOS场效应管的开启电压是什么？9. 如何判断NMO场效应管的工作状态：截止区？恒流区？还是可变 电阻区？10.

11、 MOS场效应管的跨导gm是如何定义的？11. MOS场效应管的导通电阻rDS是如何定义的？在可变电阻区和恒 流区 rDS 值是否相同？填空题1 , N型半导体中的多数载流子是。2 . PN结具有导电性。3 .半导体二极管、三极管有硅管和管。4 .硅管二极管的导通电压 UON约为，导通后其管压降约为;错管的UON勺为，导通后其管压降约为。5 .理想二极管导通时，其管压降 UD、其等效电阻rD=7 .在NPN型硅三极管输出特性曲线上，截止区：uBE<,iB=, iC =;在放大区：uBE _, UC_UBp=;在饱和区：uBE=0.7V, uCE=UCE其值约为， iBS>, UcU

12、B8 .场效应管是一种电控制器件。9 .场效应管的输入电阻rGS约为為是高值电阻，因此栅极电流入IC二。10 .从增强型NMO场效应管的转移特性曲线中，易于找出 电压的数值；在漏极特性曲线中，在夹断区：uGX , iD= ;在 恒流区：uG _且uDS值比较 ,电流iD受 控制，基本上与 值天关，rDS值很 ;在可变电阻区，uGS> 且uDS值比 较 ，导通电阻rDS(ON)的值约为 Qo跨导gm的定义为11 .场效应管的开关速度主要受管子的 电容影响，其数值通常在皮法拉级。练习题1. 1.*(2-1)在下图P1.1 (a)、(b)、(c)电路中，设二极管为理想二极管，输入电压ul=5s

13、in(2 n<1000t)V,波形如图(d) 所示。试分别画出各电路uO波形。图 P1.12. 2.*(2-2) 个NPN型硅三极管电路如图P1.2 (a)所示,其输出特性曲线如图 P1.2 (b)所示。试在(b)图上标出截P1.23. *(2-3)在上题中，在UCE=10.6V IB=30叭工作点处，估算管子的电流放大系数B值。4 . *(2-4)若已知一个三极管的集电极最大允许功耗 650mWV问：(I )当UCE=15V寸，其最大允许集电极电流IC二?(2)当UCE=0.3V寸，其最大允许集电极电流IC二?5 . *(2-5)在习题2中，若已知管子的导通电压 UON=0.6V管子导

14、通后UBE=0.7V UCES=0.3V, B使用习题3计算的结果。若 输入电压出为幅值为5V,频率为1kHz的脉冲电压源，试分析：(l )电路在u匸UIL=OV和u匸UIH=5V时的工作状态(截止，饱 和，放大？)(2) 若固定Rb值不变，求电路工作在临界饱和区时 Rc最小值。(3) 着固定Rc值不变，求电路工作在临界饱和区时 Rb最大值。6 . *(2-6)对于图P2.2所示电路和输出特性曲线，若已知Rb=40IQ Rc=2kQ, Uc=12V B=70。问 ul 的高电平 UIH 为何值，才能使管子达到饱和状态。7.已知一个增强型NMO管转移特性和漏极特性曲线如图 P1.7所（2）在恒流

15、区，估算当uGS从5.OV变化到5.5V时，管子的跨导 值 gm 。（3）对于uGS=6V uDS大约为何值时，管子由可变电阻区进入到 恒流区？（4）在可变电阻区，取uGS=6V两个工作点上uDS,iD数值分别 为（0.4IV,113 4）、1.0V,250 识）,试估计导通电阻 rDS（ON） 值。答案思考题I. 加正向偏压，有利于扩散，形成较大的正向电流，导通；加反向偏 压，有利于漂移，形成微弱的反向电流，截止。2. 视为理想开关，即正向导通时内阻rD=0和正向电压峰UD=0, 反向截止时IR=0（开路）。3. 由导通状态变为截止状态所经历的时间 , 即 tre 。4. 使稳压管不会因过流

16、而损坏。5. 是利用发射区注入的多子在基区的扩散（IC）大大超过复合（IB） 而实现的。6. 当ui v UON截止区,iB0,iC0;当 ui > UON且 UB< UC,或 iB v IBS,放大区,iC= p iB ;当 ui >UON且 UB>UC,或 iB >IBS,饱和区,uCE=UCES7. ton（开启）=td（延迟）+t t（上升）,toff（ 关闭）=ts（存储）+tf（下降）。8. 开启电压V:当增强型MOSf栅源电压UGS增加到一定数值（N沟道 为正值,P沟道为负值）即开启电压V时，在栅极下面的衬底表面才 开始形成导电沟道，产生漏极电流ID

17、,并受uGS控制。9. 当NMO管的uGS< UTN工作在夹断区,ID =0, D、S极间相 当于“开路”；当NMO管的uGS> UTN且 uDS值较小，工作在可变电阻区，此时D S 极间的等效电阻rDS较小,且随uGS增大而变小；当NMO管的uGS>UTN且 uDS值较大，工作在恒流区,ID = uGS*gm。10. MOS管的 gm=A ID/ UGS|UDS常数。II. MOS管的导通电阻rDS=A UDS/A ID|UGS=常数,在恒流区rDS值很大，在可变电阻区rDS值较小。填空题1自由电子；2.单向；3.错;4.0.5V, 06 0.8V, 0.1V, 0.1-0

18、.3V; 5.0, 0; 6.流;7.UON, 0, 0; >, iC/iB, 0.3V, ICS/ p , v ; 8.压; 9.109-1012, 0; 10.UTN, UTN, 0, UTN,大,uGS, uDS,大,UTN,小, 数百，AID/ UGS|UDS常数;11.结。练习题*(2-1)1.提示：依据二极管单向导电性及理想二极管的的特点(导通时rD=0,截止时开路)(a)、(c )(b)* (2-2) 2.提示：根据三极管三个工作的条件和特点画出.(2-3)3 .提示：此题由输出特性曲线可以直接求得p =AIC/ 0BIC/IB,但与公式法求解(因为Uce=10.6V>

19、;Ube,所以该管工作在放大 区)IC/IB=(Ucc-Uce)/Rc - IB=(12-10.6)/2 - 0.03=23.3 相差甚 远，该命题欠妥当。解:从图P1.2中可以看出，在 UCE=10.6V、IB=30卩A工作点处， 根据 B =AIC/ AIB=6-0)/(0.06-0)=100。*(2-4)4. 提示：理解集电极最大允许功耗 Pcm 的含义及公式Pc=Ic*UCE解：v Pc=lc*UCE当UCE=15V寸，其最大允许集电极电流 IC=650/15=43.3mA; 当UCE=0.3V时，其最大允许集电极电流IC=650/0.3=2.16A。*(2-5)5. 提示：根据三极管三个工作区的条件和特点求解解：(1)在uI=U