《电子电路分析与实践》课件-任务二 半导体器件

电子电路分析与实践1.半导体二极管《电子电路分析与实践》教学团队二极管：一个PN结就是一个二极管。单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。

符号半导体二极管根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3～109

cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的特点：导电能力不同于导体、绝缘体；受外界光和热刺激时电导率发生很大变化——光敏元件、热敏元件；掺进微量杂质，导电能力显著增加——半导体。半导体的基本知识当T=0K和无外界激发时，导体中没有载流子，不导电。当温度升高或受到光的照射时有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电。

因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。半导体的基本知识本征激发+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴

在本征半导体中掺入三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体（电子型半导体）在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑

)杂质半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5自由电子多余电子，成为自由电子在本征半导体中掺入三价的元素（硼）P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3空穴空穴本征半导体——完全纯净的、结构完整的半导体晶体。载流子——可以自由移动的带电粒子。电导率——与材料单位体积中所含载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高。N型半导体的多数载流子为电子，少数载流子是空穴；P型半导体的多数载流子为空穴，少数载流子是电子。本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、N型半导体、P型半导体呈电中性本征半导体：空穴数=自由电子数N型半导体：自由电子数=正离子数+空穴数；P型半导体：空穴数=负离子数+自由电子数。导体显电性+五价的元素+三价的元素产生多余电子产生多余空穴因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散PN结的形成外加的正向电压削弱了内电场内电场对多子扩散运动的阻碍减弱扩散电流加大扩散电流远大于漂移电流PN结呈现低阻性。

(1)PN结加正向电压P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏。

PN结的形成P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。（2）PN结加反向电压

外加反向电压加强了内电场内电场对多子扩散运动的阻碍增强扩散电流大大减小漂移电流大于扩散电流PN结呈现高阻性PN结的形成PN结正向电阻小，反向电阻大——单向导电性。总结PN结面积大，用于大电流整流电路。(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。(2)面接触型二极管半导体二极管的结构电子电路分析与实践2.半导体二极管的伏安特性《电子电路分析与实践》教学团队二极管：一个PN结就是一个二极管。单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。

符号半导体二极管第一象限的是正向伏安特性曲线第三象限的是反向伏安特性曲线。IS为反向饱和电流，VD

为二极管两端的电压降，VT=kT/q

称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q

为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有VT=26mV。半导体二极管的伏安特性曲线当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称死区电压或开启电压。正向区分为两段：当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。硅二极管的死区电压Vth=0.5~0.8V左右；锗二极管的死区电压Vth=0.2~0.3V左右。

1.正向特性当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。反向区也分两个区域：2.反向特性硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时,则主要是齐纳击穿。3.反向击穿特性(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。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VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。总结(3)反向电流IR(4)正向压降VF在室温，规定的反向电压下，最大反向工作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。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。总结电子电路分析与实践3.半导体二极管的应用《电子电路分析与实践》教学团队目录CONTENTS01二极管基本电路分析特殊二极管0201二极管基本电路分析正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为∞。1.理想模型当iD≥1mA时，vD=0.7V。2.恒压降模型二极管基本电路分析符号3.折线模型（实际模型）4.小信号模型二极管基本电路分析求VDD=10V时，二极管的电流ID、电压VD

值。1.静态分析符号解：（1）理想模型正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为∞。当iD≥1mA时，vD=0.7V。（2）恒压降模型1.静态分析符号（3）实际模型1.静态分析理想二极管电路中vi=VmsinωtV，求输出波形v0。解：2.限幅电路vit0VmVi>VR时，二极管导通，vo=vi。Vi<VR时，二极管截止，vo=VR。利用二极管的单向导电性可作为电子开关vI1vI2二极管工作状态D1D2v00V0V导通导通导通截止截止导通截止截止0V5V5V0V5V5V0V0V0V5V求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。解：3.开关电路稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样特殊二极管符号(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=

VZ/

IZ，

rZ愈小反映稳压管的击穿特性愈陡(1)稳定电压VZ特殊二极管符号

(4)最大稳定工作电流

IZmax和最小稳定工作电流IZmin最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZ＜IZmin则不能稳压。最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为

PZ=VZIZ，由

PZM和VZ可以决定IZmax。

(3)最大耗散功率

PZM

特殊二极管符号稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。

IR

IZ

Io稳压管的稳压过程RLIoIRVoIZIRVo特殊二极管电子电路分析与实践4.半导体三极管《电子电路分析与实践》教学团队类型：NPN型、PNP型半导体三极管是具有电流放大功能的元件高频管、低频管频率：小、中、大功率管功率：硅管、锗管材料：半导体三极管发射结

集电结基极发射极

集电极晶体三极管是由两个PN结组成的发射区基区集电区半导体三极管发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。进入基区的电子流因基区的空穴浓度低很快进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是IBN。

很小的基极电流IB，就可以控制较大的集极电流IC，从而实现了放大作用。三极的工作原理共集电极接法：集电极作为公共端共发射极接法：发射极作为公共端共基极接法：基极作为公共端IE=IC+IB三极管的电流关系国家标准对半导体三极管的命名如下:3

D

G

110B

材料器件的种类同种器件型号的序号同一型号中的不同规格三极管第二位：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开关管半导体三极管的型号参

数型

号

PCM

mW

ICM

mAVR

CBO

VVR

CEO

VVR

EBO

V

IC

BO

μA

f

T

MHz3AX31D

125

125

20

12≤6*≥83BX31C

125

125

40

24≤6*≥

83CG101C

100

30

450.1

1003DG123C

500

50

40

300.353DD101D

5A

5A

300

2504≤2mA3DK100B

100

30

25

15≤0.1

3003DKG23250W

30A

400

325

8注：*为f

双极型三极管的参数电子电路分析与实践5.半导体三极管的特性曲线《电子电路分析与实践》教学团队类型：NPN型、PNP型半导体三极管是具有电流放大功能的元件高频管、低频管频率：小、中、大功率管功率：硅管、锗管材料：半导体三极管iB是输入电流vBE是加在B、E两极间的输电压。输入特性曲线—iB=f(vBE)

vCE=常数导通电压锗管0.1~0.3V硅管0.6~0.8V半导体三极管的特性曲线共发射极接法的输入特性曲线其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE≥1V时，vCB=vCE-vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC/IB

增大，特性曲线将向右稍微移动一些vCE再增加时，曲线右移很不明显。 半导体三极管的特性曲线⑴放大区：发射结正偏、集电结反偏⑵截止区：IB=0以下的区域⑶饱和区：发射结和集电结均为正偏IC随着VCE的变化而迅速变化工程上以VCE=0.3伏作为放大区和饱和区的分界线VCE大于0.7

V左右(硅管)发射结和集电结均为反偏输出特性曲线

—

iC=f(vCE)

iB=常数放大区：条件VCE>0.7V,iB>0,iC随iB成正比变化，iC=βΔiB饱和区：条件VCE<0.7V,iB>0,VCE近似等于0.3c—e间“导通”截止区：条件VBE<0.5V,iB=0,iC=0,c—e间“断开”输出特性曲线

—

iC=f(vCE)

iB=常数温度对特性曲线的影响电子电路分析与实践6.半导体三极管的应用《电子电路分析与实践》教学团队类型：NPN型、PNP型半导体三极管是具有电流放大功能的元件高频管、低频管频率：小、中、大功率管功率：硅管、锗管材料：半导体三极管测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。放大截止饱和放大Vc>Vb>Ve放大Vc<Vb<Ve半导体三极管三极管工作状态分析三极管工作状态分析三极管工作状态分析直流参数直流电流放大系数1.共发射极直流电流放大系数

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

vCE=常数

2.共基极直流电流放大系数

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

显然与之间有如下关系:=IC/IE=IB/

1+

IB=/

1+

交流电流放大系数

1.共发射极交流电流放大系数

=

IC/

IB

vCE=const

在放大区

值基本不变，通过垂直于X轴的直线，由

IC/

IB求得。

2.共基极交流电流放大系数α

α=

IC/

IE

VCB=const当ICBO和ICEO很小时，可以不加区分。交流参数集电极最大允许电流ICM当IC＞ICM时，管子性能将显著下降，甚至会损坏三极管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，

PCM=ICVCB≈ICVCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上三极管极限参数由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区

输出特性曲线上的过损耗区和击穿区三极管极限参数电子电路分析与实践7.场效应管《电子电路分析与实践》教学团队目录CONTENTS01场效应管场效应管分类02场效应晶体三极管是由一种载流子导电的、用输入电压控制输出电流的半导体器件从参与导电的载流子来划分，它有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电的P沟道器件。按照场效应三极管的结构划分，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。

场效应管1.结构结型场效应管2.工作原理N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电压，栅极与沟道之间的PN结为反偏。在漏极、源极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P沟道场效应管工作时，极性相反，沟道中的多子为空穴。

N沟道PN结结型场效应管①栅源电压VGS对iD的控制作用当VGS＜0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小；VGS更负，沟道更窄，ID更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，ID≈0。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。结型场效应管②漏源电压VDS对iD的影响

在栅源间加电压VGS＞VP，漏源间加电压VDS。VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大,(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,则漏端耗尽层受反)。

当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极饱和电流。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP

时，在紧靠漏极处出现预夹断点结型场效应管(3)伏安特性曲线①输出特性曲线恒流区：(又称饱和区或放大区）特点:(1)受控性：输入电压vGS控制输出电流(2)恒流性：输出电流iD

基本上不受输出电压vDS的影响。用途:可做放大器和恒流源。条件:(1)源端沟道未夹断

(2)源端沟道予夹断结型场效应管特点:(1)当VGS

为定值时,iD

是VDS

的线性函数,其阻值受VGS

控制。（2）管压降vDS很小。用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。条件：源端与漏端沟道都不夹断

可变电阻区用途：做无触点的、接通状态的电子开关。条件：整个沟道都夹断特点：夹断区当漏源电压增大到时，漏端PN结发生雪崩击穿，其值一般为（20—50）V之间。由于VGD=VGS-VDS,故VGS越负，对应的VP就越小。管子不能在击穿区工作。击穿区可变电阻区②转移特性曲线输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制可变电阻区结型场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型结型场效应管的特性小结

绝缘栅型场效应管MetalOxideSemiconductor——MOSFET

分为增强型

N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道增强型：没有导电沟道，耗尽型：存在导电沟道，N沟道P沟道

增强型N沟道P沟道

耗尽型金属-氧化物-半导体场效应管（1）栅源电压VGS的控制作用

当VGS=0V时，

在D、S间也不可能形成电流。

当0＜VGS＜VT(开启电压)时，在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。N沟道增强型场效应管的工作原理

当VGS＞VT时，衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区的N型沟道。

1.栅源电压VGS的控制作用实现了输入电压VGS对输出电流ID的控制把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。在漏源间加电压VDS，就能产生漏极电流

i

D即管子开启当VGS＞VT自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极电流ID；当ID从D

S流过沟道时，源极端电压最大，为VGS，由此感生的沟道最深；漏极端，栅漏间电压最小，其值为：

VGD=VGS-VDS

,由此感生的沟道也最浅。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT

时，则漏端沟道消失，出现预夹断点。2.漏源电压VDS对沟道导电能力的影响当VDS为0或较小时，VGD＞VT，此时VDS

基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。当VDS增加到使VGD=VT时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。形成漏极电流。当VDS增加到使VGD

VT时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。从漏端沟道出现预夹断点开始，ID基本不随VDS增加而变化。2.漏源电压VDS对沟