电工电子学(唐介)第8章半导体器件

1、2导体、半导体、绝缘体。导体、半导体、绝缘体。 物质按导电能力划分：物质按导电能力划分： 半导体的导电性能：半导体的导电性能： 价电子参与导电、价电子参与导电、 掺杂增强导电能力、掺杂增强导电能力、 热敏特性、光敏特性。热敏特性、光敏特性。 是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 3共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子45 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。使半导体的导电性能发生显著变化。 (1) 掺入五价的杂质元素掺入五价的杂质元素 自由电子的浓度自由电子的浓度

2、空穴的浓度。空穴的浓度。 自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 称这种杂质半导体为称这种杂质半导体为 N 型半导体。型半导体。 (2) 掺入三价的杂质元素掺入三价的杂质元素 自由电子的浓度自由电子的浓度 空穴的浓度。空穴的浓度。 空穴为多数载流子。自由电子为少数载流子。空穴为多数载流子。自由电子为少数载流子。 称这种杂质半导体为称这种杂质半导体为 P 型半导体。型半导体。6 Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子7 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴多子的扩散运动多子的扩散运动

3、内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。+形成空间电荷区形成空间电荷区9 多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运 动达到动态平衡动达到动态平衡 平衡的平衡的 PN 结。结。内电场内电场10 内电场越强，多数载流子的运动越难以进行。内电场越强，多数载流子的运动越难以进行。 内电场越强，少数载流子的运动越易于进行。内电场越强，少数载流子的运动越易于进行。 扩散运动：扩散运动： 多数载流子由于浓度的差别而形成的运动。多数载流子由于浓度的差别而形成的运动。 漂移运动：漂移运动： 少数载流子由

4、于内电场的作用而形成的运动。少数载流子由于内电场的作用而形成的运动。 PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+12 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+13 N 阳极阳极 阴极阴极 (1) 按结构分类按结构分类 点接触型、面接触型。点接触型、面接触型。 (2) 按材料分类按材料分类 硅管、锗管。硅管、锗管。 (3) 按用途不同分类按用途不同分类 普通管、整流管、开关管等。普通管、整流管、开关管等。 1. 基本结构基本结构 1415阴极引线阴极引线阳极

5、引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+17UDU I OU I O(1) 额定正向平均电流（最大整流电流）额定正向平均电流（最大整流电流）IF (2) 正向压降正向压降 UF (

6、3) 最高反向工作电压最高反向工作电压 UR 一般规定为反向击穿电压的一般规定为反向击穿电压的 1/2 或或 1/3。 (4) 最大反向电流最大反向电流 IRm 1819例例1：D6V12V3k BAUAB+20例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+21V sin18itu t 228.3 8.3 特殊二极管特殊二极管UZIZIZM UZ IZ_+UIO23ZZ ZIUr 解解 (1) Ui10 V 时时 DZ 反向击穿稳压：反向击穿稳压：UO = UZ = 5 V 。 (2) Ui = 3 V 时时DZ 反向截止：反向截止：UO= Ui = 3 V 。 (3) Ui

7、 =5 V 时时DZ 正向导通：正向导通：UO= 0 V 。 (4) ui = 10sin t V 时时 当当 0ui5 V 时，时，DZ 反向截止：反向截止：UO= Ui = 10sin t V。 当当 ui5 V 时，时，DZ 反向击穿稳压：反向击穿稳压： 如图所示电路，设如图所示电路，设 UZ = 5 V，正向压降，正向压降 忽略不计。当直流输入忽略不计。当直流输入Ui = 10 V、3 V、5 V 时，时，Uo= ？当输入为交流？当输入为交流 ui = 10sin t V 时，分析时，分析 uO的波形。的波形。 R DZ UiUO5 t uO/V O 2 3 UO = UZ = 5 V

8、 。当当 ui0 V 时，时，DZ 正向导通：正向导通：UO= 0 V。 2526NNPBECBECIBIEICBECIBIEIC2728条件条件: 发射结正偏发射结正偏, 集电结反偏。集电结反偏。 发射区发射载流子发射区发射载流子 形成电流形成电流IE 少部分在基区被复合少部分在基区被复合 形成形成IB 大部分被集电区收集大部分被集电区收集 形成形成IC 1放大状态放大状态电流的形成电流的形成NPNB E CRCUCC UBB RB晶体管中载流子的运动过程晶体管中载流子的运动过程IEICIB29 电流的关系电流的关系 IE= IB +IC 当当 IB = 0 时，时， 直流直流 (静态静态)

9、 电流放大系数电流放大系数 交流交流 (动态动态) 电流放大系数电流放大系数 IC IBICICEO IB = IC IB= UCE =常数常数 IC IB IC = ICEONPNB E CRCUCC UBB RBIEICIB电路图电路图30IB 微小的变化，会产生微小的变化，会产生 IC 很大的变化。很大的变化。IC =IB 。0UCEUCC ， UCE = UCCRC IC 。晶体管相当于通路。晶体管相当于通路。 特点特点3131特点：特点： IB,IC 基本不变。基本不变。 ICUCC / RC 。 UCE0 。 晶体管相当于短路。晶体管相当于短路。条件条件: 发射结正偏发射结正偏,

10、集电结正偏。集电结正偏。 IB,IC UCE = (UCCRC IC) ICM = UCC / RC 2. 饱和状态饱和状态电路图电路图NPNB E CRCUCC UBB RBIEICIBCERCUCC 饱和状态时的晶体管饱和状态时的晶体管32特点：特点： IB= 0 IC= 0 UCE= UCC 晶体管相当于开路。晶体管相当于开路。3. 截止状态截止状态条件条件: 发射结反偏发射结反偏, 集电结反偏。集电结反偏。电路图电路图CERCUCC NPNB E CRCUCC UBB RBIEICIB晶体管处于放大状态。晶体管处于放大状态。 例例 图示电路，晶体管的图示电路，晶体管的 = 100，求开

11、关，求开关 S 合向合向 a、b、c 时时的的 IB、IC 和和 UCE，并指出晶体管的工作，并指出晶体管的工作 状态（忽略状态（忽略 UBE ）。）。解解 (1) 开关开关 S 合向合向 a 时时 UBB1 RB1 5 500103 IB = = A = 0.01 mAIC = IB = 1000.01 mA = 1 mA UCE = UCCRCIC = (1551031103) V = 10 VUCC = 15 V UBB1 = 5 V UBB2 = 1.5 VRB1 = 500 k RB2 = 50 k RC = 5 k UBB1 S BCERCUCC RB1 UBB2 RB2 a b

12、c UCE = 0 V 晶体管处于饱和状态。晶体管处于饱和状态。因为若因为若 IC = IB = 1000.1mA = 10 mA UCE = UCCRCIC = V =35 V UCE0，这是不可能的，即不可能处于放大状态。，这是不可能的，即不可能处于放大状态。 UCC RC = 3 mA UCC RC15 5103 IC = = A = 3 mA UBB1 S BCERCUCC RB1 UBB2 RB2 a b c UBB1 RB2 5 50103 IB = = A = 0.1 mA (2) 开关开关 S 合向合向 b 时时35 (3) 开关开关 S 合向合向

13、c 时时 IB = 0，IC = 0， UCE = UCC = 15 V 晶体管处于截止状态。晶体管处于截止状态。 UBB1 S BCERCUCC RB1 UBB2 RB2 a b c 36 IB= f (UBE) UCE=常数常数 UCE1V25 UCE1V7580604020UBE / VIB/ AO0.4 0.8 硅管：硅管：UBE 0.7 V 锗管：锗管：UBE 0.3 ViC uCE uBE iBBEC输入特性输入特性工作方式工作方式37 IC= f (UCE) IB = 常数常数 放放 大大 区区IC/ mA43213 6 9UCE/VO IB = 0 20 A 40 A 60 A

14、 80 A 100 A 饱和区饱和区截止区截止区输出特性输出特性iC uCE uBE iBBEC工作方式工作方式38 动态电流放大系数动态电流放大系数 2.穿透电流穿透电流 ICEO3.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM4.集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率 PCM PC = UCE IC5.反向击穿电压反向击穿电压 U(BR) CEO静态电流放大系数静态电流放大系数 四、主要参数四、主要参数1.电流放大系数电流放大系数43213 6 9 ICUCE O 放放 大大 区区截止区截止区饱饱和和区区过过 损损 耗耗 区区 安安 全全 工工 作作 区区 U(BR)CEO ICM PCM功

15、耗曲线功耗曲线39SiO2NMOS 管管PMOS 管管源极源极 漏极漏极S D 铝片铝片栅极栅极 GBP 型硅衬底型硅衬底 N+N+BN 型硅衬底型硅衬底 P+P+源极源极 栅极栅极 漏极漏极S G D 40P 型硅衬底型硅衬底 N+N+BSGD按导电沟道的不同分为：按导电沟道的不同分为： N型沟道型沟道MOS管管NMOS管管 P型沟道型沟道MOS管管PMOS管管N 型硅衬底型硅衬底 P+P+BSGDNMOS 管管PMOS 管管导电沟道导电沟道 + + + +41按导电沟道形成的不同分为：按导电沟道形成的不同分为： 增强型增强型简称简称E型型 耗尽型耗尽型简称简称D型型场效应管的图形符号场效应

16、管的图形符号:G E型型 NMOS SDBG E型型 PMOS SDB D型型 NMOS SDGB D型型 PMOS SDGBEGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+ 由结构图可见由结构图可见，N+型漏区和型漏区和N+型源区之间被型源区之间被P型型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结结。 当栅源电压当栅源电压UGS = 0 时时，不管漏极和源极之间所不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其加电压的极性如何，其中总有一个中总有一个PN结是反向结是反向偏置的，反向电阻很高，偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零漏极电流近似为零。SDEGP型硅

17、衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+ 当当UGS 0 时，时，P P型衬底中的电子受到电场力的吸型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道型导电沟道EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+N型导电沟道型导电沟道当当UGS UGS(th(th）后，场效后，场效应管才形成导电沟道，开应管才形成导电沟道，开始导通，始导通，若漏若漏源之间加上源之间加上一定的电压一定的电压UDS，则有漏极，则有漏极电流电流ID产生。在一定的产生。在一定的UDS下下漏极电流漏极电流ID的大小与栅的大小与栅源电压源电压UGS有关。所

18、以，场有关。所以，场效应管是一种电压控制电效应管是一种电压控制电流的器件。流的器件。 在一定的漏在一定的漏源电压源电压UDS下，使管子由不导通变下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(thth）。GSD符号：符号：SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子予埋了予埋了N型型 导电沟道导电沟道 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS= 0时，时，若漏若漏源之间加上一定的电压源之间加上一定的电压UDS，也，也会有漏极电流会有漏极电流 ID 产生。产生。 当当UGS达到一定达到一定负值时，负值时，N型导电沟道消失，型导电沟道消失，ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的这时的UGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用UGS(off(off）表示。表示。 47形成反型层导电沟道的条件是：形成反型层导电沟道的条件是： E型型NMOS管管 UGS UGS(th) 0 E型型PMOS管管 UGS UGS(th) UGS(0ff) 0 D型型PMOS管管 UGS 0 总之总之, 改变改变UGS , 可以改变导通沟道的厚度和可以改变导通沟道的厚度和形状形状,