第四章半导体器件基础2

第4章半导体器件基础1.1半导体的基本知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4BJT模型1.5场效应管2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流

(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

3.PN结的伏安特性曲线及表达式

根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆1.2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-

二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(3)平面型二极管

用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。

一、半导体二极管的V—A特性曲线

硅：0.5V锗：

0.1V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅：0.7V锗：0.3V二.二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kΩD—非线性器件iuRLC—线性器件三.二极管的主要参数

(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR———

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。

(3)反向电流IR——

在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压四、稳压二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管正向同二极管反偏电压≥UZ反向击穿＋UZ－限流电阻

稳压二极管的主要参数

(1)稳定电压UZ——(2)动态电阻rZ——

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

rZ=U

/I

rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

(3)最小稳定工作电流IZmin——

保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。

(4)最大稳定工作电流IZmax——

超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。光电二极管关于光电二极管的三个问题1.光电二极管的主要特点、电路接法及工作原理2.光电二极管在汽车上的应用举例3.汽车自动空调系统应用哪种传感器，简要说明其工作原理光电二极管大家知道，普通二极管在反向电压作用在处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用在工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度约大，反向电流也约大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。光电二极管曲轴位置传感器即曲轴位置和转角传感器，它是电喷发动机的重要传感器之一，主要用于检测发动机曲轴转角和活塞上止点位置，以便于发动机控制装置发出点火及喷油指令，提供最佳的点火时刻及最合理的燃油供给，从而提高车辆的经济性及排放的环保性。除此之外，曲轴位置传感器还承担着发动机转速的信号检测功能。根据传感器产生信号的原理不同，曲轴位置传感器类型大致可分为磁脉冲式、霍尔式及光电式三种类型。汽车用整流二极管整流器组件关于硅整流二极管的三个问题1.什么是正极二极管？什么是负极二极管？2.一般的硅整流器的组成是怎样的？3.汽车发电机的正元件板、负元件板的组成，4.汽车发电机的“电枢”和“外壳”分别为发电机的哪个电极?晶体二极管的简易判别辨别二极管的正负极性和粗略判断二极管的好坏数字式万用表指针式万用表使用万用表检测二极管的方法1.使用指针式万用表如何检测二极管的好坏？2.使用指针式万用表如何判别二极管的极性？3.使用指针式万用表测量二极管时注意事项有哪些？4.使用数字式万用表如何判别二极管的好坏？5.使用数字式万用表如何判别二极管的极性？6.用数字式万用表测量二极管时注意事项有哪些？二极管的简易判别一.BJT的结构NPN型PNP型符号:三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。--NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极--PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极二．BJT的内部工作原理（NPN管）

三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集电结反偏：由VBB保证由VCC、

VBB保证UCB=UCE-UBE>0共发射极接法c区b区e区2/6/2023

（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN

。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IE≈

IEN。

（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流IB≈

IBN。大部分到达了集电区的边缘。1．BJT内部的载流子传输过程（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN

。

另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。2．电流分配关系三个电极上的电流关系:IE=IC+IB定义：(1)IC与IE之间的关系:所以:其值的大小约为0.9～0.99。

2/6/2023(2)IC与IB之间的关系：联立以下两式：得：所以：得：令：三.BJT的特性曲线（共发射极接法）(1)输入特性曲线

iB=f(uBE)

uCE=const（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。等同PN结的特性曲线（3）uCE≥1V再增加时，曲线右移很不明显。

（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE电压下，iB减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压硅0.5V锗0.1V导通压降硅0.7V锗0.3V

(2)输出特性曲线iC=f(uCE)

iB=const

现以iB=60uA一条加以说明。

（1）当uCE=0

V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic

↑

。（3）当uCE＞1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。同理，可作出iB=其他值的曲线。

输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7

V。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区——曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有：饱和区放大区截止区四.BJT的主要参数1.电流放大系数（2）共基极电流放大系数：

iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之间2.31.5（1）共发射极电流放大系数：

2.极间反向电流

（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO

基极开路时，集电极到发射极间的电流——穿透电流。其大小与温度有关。

（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管：ICBO为微安数量级，硅管：ICBO为纳安数量级。++ICBOecbICEO

3.极限参数

Ic增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM

集电极电流通过集电结时所产生的功耗，

PC=ICUCE

PCM<PCM

（3）反向击穿电压

BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：

①

U（BR）EBO——集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏～十几伏。②U（BR）CBO——发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏～几百伏。③U（BR）CEO——基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU

1.4三极管的模型及分析方法iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA非线性器件UD=0.7VUCES=0.3ViB≈0iC≈0一.BJT的模型++++i-uBE+-uBCE+Cibeec截止状态ecb放大状态UDβIBICIBecb发射结导通压降UD硅管0.7V锗管0.3V饱和状态ecbUDUCES饱和压降UCES硅管0.3V锗管0.1V直流模型二.BJT电路的分析方法（直流）1.模型分析法（近似估算法）(模拟p58~59)VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC例：共射电路如图，已知三极管为硅管，β=40，试求电路中的直流量IB、

IC、UBE、UCE。+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC0.7VβIBecbIC+VCCRc(+12V)4KΩ+UBE—IB+VBBRb(+6V)150KΩ+UCE—解：设三极管工作在放大状态，用放大模型代替三极管。UBE=0.7V2.图解法模拟(p54~56)VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+uCE—IB=40μAiC非线性部分线性部分iC=f(uCE)

iB=40μAM(VCC,0)(12,0)(0,3)iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB直流负载线斜率：UCEQ6VICQ1.5mAIB=40μAIC=1.5mAUCEQ=6V直流工作点Q

半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B2/6/2023

1.5场效应管

BJT是一种电流控制元件(iB~iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道FET分类：

绝缘栅场效应管结型场效应管

场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS~iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。一.绝缘栅场效应三极管

绝缘栅型场效应管(MetalOxide

SemiconductorFET)，简称MOSFET。分为：

增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道

1.N沟道增强型MOS管

（1）结构4个电极：漏极D，源极S，栅极G和衬底B。符号：

当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。（2）工作原理

当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。

再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。①栅源电压uGS的控制作用

定义：开启电压（UT）——刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。

N沟道增强型MOS管的基本特性：

uGS＜UT，管子截止，

uGS＞UT，管子导通。

uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。

②漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用

当uGS＞UT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。（设UT=2V，uGS=4V）

（a）uds=0时，id=0。（b）uds↑→id↑；同时沟道靠漏区变窄。（c）当uds增加到使ugd=UT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（d）uds再增加，预夹断区加长，uds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。（3）特性曲线

四个区：（a）可变电阻区（预夹断前）。

①输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。

（c）夹断区（截止区）。

（d）击穿区。可变电阻区恒流区截止区击穿区

②转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const

可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：UT

一个重要参数——跨导gm：gm=iD/uGS

uDS=const(单位mS)

gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。

在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。

2.N沟道耗尽型MOSFET特点：

当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。当uGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。

当uGS＜0时，沟道变窄，iD减小。

在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。

定义：