华中师范大学《电子技术基础》课件-第1章半导体器件的认识

第一章半导体器件的认识一、教学要求二、相关知识（一）半导体的基本知识（二）二极管（三）三极管三、拓展知识（一）特殊用途的二极管（二）场效应管华中师范大学《电子技术基础》一、教学要求教学内容半导体的导电特性和PN结的基本原理，二极管、三极管、场效应管等的结构、工作原理、特性曲线及主要参数。知识点①半导体的导电特性和PN结的基本原理；②二极管的结构、伏安特性；③三极管的结构、电流分配原理、工作状态和条件。一、教学要求能力点①会识别二极管、能测绘其伏安特性；②会识别三极管、能分析其电流分配情况；③能测绘三极管的传输特性曲线；④能熟练应用特殊二极管、绝缘栅型场效应管。二、相关知识（一）半导体的基本知识1、半导体自然界的物质按其导电能力可分为：导体、绝缘体和半导体。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。2、半导体的物理特性（1）半导体独特的物理特性①热敏特性：半导体器件的温度稳定性差。②光敏特性：在有光照和无光照的条件下，其电阻率有几十到几百倍的差别。③掺杂特性：在纯净的半导体材料中掺入某种微量的杂质元素后，其导电能力将猛增几万倍甚至几百万倍。制造半导体器件的主要材料是锗和硅。纯净的、具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。（2）半导体的晶体结构在晶体中，原子的4个价电子就会分别与其周围的4个原子组成稳定的共价键。本征激发载流子自由电子空穴在常温下，本征半导体的导电能力极差。3、半导体的导电原理（1）N型半导体在纯净的半导体中掺入微量的五价元素，如砷（As）或磷。多子：自由电子；少子：空穴。（2）P型半导体在纯净的半导体中掺入微量的三价元素，如硼（Be）或铟（In）。多子：空穴；少子：自由电子。通过改变掺入杂质的浓度可以控制半导体的导电能力。（3）半导体PN结①PN结的形成。PN结的宽度一般为几微米到几十微米。②PN结的特性。在没有外电场的作用下，PN结是不会导电的；在外电场的作用下，PN结显示单向导电特性。PN结正向偏置，则导通，即正向导通。反向截止、反向击穿PN结正向偏置时，PN结导通，正向电阻很小，正向电流IF较大；PN结反向偏置时，PN结截止，反向电阻很大，反向电流IR很小。PN结的这种正向导通和反向截止的特性定义为单向导电特性。（二）二极管1、二极管的结构和符号2、二极管的单向导电性结论：二极管的这种正向导通、反向截止特性称为二极管的单向导电性。3、二极管的伏安特性曲线正向特性、反向特性4、二极管的主要参数（1）最大整流电流IFM最大整流电流IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。使用中电流超过此值，管子会因过热而损坏。（2）最高反向工作电压URM二极管长期运行时所能承受的最大反向工作电压。为保证二极管能安全工作，一般取UR为URM的二分之一。（3）反向击穿电压反向击穿电压是指二极管能承受的最大反向工作电压，外加电压超过该值，PN结会损坏。（4）最高工作频率fM最高工作频率fM是保证二极管正常工作时所加信号的最高频率，否则会使二极管失去单向导电特性。5、二极管的应用及电路分析方法①

先确定相应的参考点。②

假设所有二极管全部断开，判断二极管原来位置两端（P端电压为UP，N端电压为UN）的电位差。a．UP>UN，则二极管导通；否则截止。b．有多个二极管符合UP>UN时，UP−UN最大的二极管优先导通，再分析其他的二极管是否导通。③

确定了二极管的工作状态后，用基尔霍夫定律分析求解电路。例题，分析图中二极管的状态：导通还是截止。整流电路限幅电路仿真分析：限幅电路钳位电路VD1起钳位作用，把输出端F的电位钳制在＋3V；VD2起隔离作用，把输入端B和输出端F隔离开。6、半导体器件型号命名方法2AP9：“2”表示电极数为2，“A”表示N型锗材料，“P”表示普通管，“9”表示序号。（三）三极管1、三极管的基本知识（1）三极管的结构和符号三极管分为NPN型和PNP型两种。3个区（发射区、基区和集电区）两个PN结（发射结和集电结）3个电极（基极B、发射极E和集电极C）（2）三极管的3种连接方式（3）三极管电流放大原理通过改变电阻RB，使得基极电流IB在不同的情况下，测得集电极电流IC和发射极电流IE，得到一组数据。分析实验所得数据，可有如下结论：a．三电极电流关系：IE=IB+IC；b．IC

IB

，IC

IE；c．

IC

IB，

IC/

IB=β（β为常数，为三极管的电流放大倍数）。2、三极管的伏安特性曲线输入伏安特性曲线当集电极电压UCE一定时，基极电流IB与基极电压UBE的关系：输出伏安特性曲线当基极电流IB为一定时，集电极电流IC与集电极电压UCE的关系：3个工作区域，即放大区、饱和区和截止区。3个区的工作特性：①

放大区发射结正偏，集电结反偏（对于NPN型管，UC>UB、UB>UE；对于PNP型管，UC<UB、UB<UE）。IB>0，IC

=

βIB，UCE=UCC

ICRCIC仅决定于IB，与UCE无关，此时具有电流放大作用。3个区的工作特性：②饱和区发射结和集电结均正偏。UCE=UCES，很小，C-E之间相当于一个接通的开关。IC不受IB控制，IC不再随IB的增大而增大，而是由外电路决定。③

截止区发射结和集电结均反偏。IB≈0，IC≈0，UCE=UCC

ICRC失去电流放大作用，C-E间相当于断开的开关。三极管可工作在3种状态，若应用于电流放大时，应工作在放大区；若作开关使用时，应工作在饱和区和截止区。问题讨论：请分析一下，下面哪个三极管工作在放大？为什么？仿真分析（1）图中的三极管是NPN还是PNP型？工作在哪种状态，是放大、截止还是饱和？（2）图中的三极管是NPN还是PNP型？工作在放大、截止还是饱和？仿真分析3、主要参数（1）共射极电流放大倍数β

用来衡量电流放大能力的。制作工艺和导体材料的不同，即使同一型号三极管的

差别也较大，一般小功率三极管的值为20～50。值越大，管子稳定性越差；

值越小，电流放大能力越差。（2）穿透电流ICEO基极开路时，集-射间的电流；其值的大小受温度影响较大；该电流值越小，三极管的质量越好。（3）集电极最大允许电流ICM三极管工作电流IC允许的最大极限值。若IC超过ICM值，则三极管可能会损坏。（4）集电极-发射极反向击穿电压UCEO基极开路加压集-射之间的最大允许电压值。工作电压UCE应小于此值，否则会击穿。（5）集电极最大允许耗散功率PCM集电结上允许损耗功率的最大值。超过PCM就会使管子性能变坏或烧毁。PCM的大小与散热条件有关，加散热片，可以提高PCM的值。了解元器件的参数，主要是为了保证元器件安全工作，图1-20所示为一个三极管的安全工作区域。三、拓展知识（一）特殊用途的二极管1、稳压二极管（1）二极管的稳压功能稳压二极管实际上是一种面接触型硅二极管，简称稳压管。（2）稳压二极管的应用应用时，和普通二极管也有不同：①正极接低电位，负极接高电位，保证其工作在反向击穿区；②为防止工作电流超过其最大稳定电流IZmax而引起管子击穿，应串接限流电阻R；③不能并联使用，以免造成管子电流不均而过载损坏。例题分析图示稳压管应用电路，已知输入电压Ui=10V，稳压管的稳定电压UZ=6V，最小稳定电流IZmin=4mA，最大稳定电流IZmax=24mA，负载电阻RL=600Ω，求限流电阻R的取值范围。限流电阻R的取值范围为117~286。问题讨论稳压管型号为ZPD5.1（稳压值5.1V，耗散功率0.5W）。1）电路中的稳压管D1接对了吗？2）正常工作时，限流电阻R=？常用作指示灯。它是一种将电能转换为光能的器件，简称LED。电路符号引脚判别金属头的大小区分引脚的长短、切边区分2、发光二极管除颜色之外，还有一个重要的参数是LED的尺寸。塑料外壳是圆柱形的，则用圆柱形直径表示，如直径为5mm，称为“φ5”

。外壳是方形的则用长宽高表示，如长宽高是2mmx2mmx4mm的扁平LED，称为“2x2x4LED”，一般省略单位

。LED还有两个重要参数：驱动电压和驱动电流。驱动电压：LED可以正常发光的最低电压。LED亮度的大小只和电流有关，工作电流越大越亮。因此，又称LED是电流驱动器件。一般0-40mA，大于40mA就会损坏，保持在20mA左右最为理想，要认真选择限流电阻。当外加电源使LED正偏，注入N区和P区的载流子复合，会发出可见光。根据材料的不同，可以发出颜色不同的光。3、光电二极管光电二极管又叫做光敏二极管，是利用半导体的光敏特性制成的。当光线照射PN结时，其反向电流随光照强度的增大而增大，因此可用光电二极管作光控元件，将光能转化为电能。（二）场效应管场效应管（FieldEffectTransistor，FET）是一种电压控制型器件。在工作过程中，只有一种载流子参与导电。因此，它是单极型晶体管。根据结构和工作原理的不同，FET可以分为两类：绝缘栅型场效应管和结型场效应管。1．绝缘栅型场效应管应用最广泛的是以二氧化硅（SiO2）作为栅极与半导体材料间的绝缘层的FET，简称MOSFET或称MOS管。按照所使用的半导体材料的极性不同，有N沟道和P沟道两种，每一种还有增强型和耗尽型之分。以增强型MOS管为例。1、绝缘栅型场效应管（1）基本结构N沟道增强型绝缘栅型场效应管的结构和符号（2）工作原理2、结型场效应管结型管通过改变栅源电压改变耗尽区的宽窄，从而改变导电沟道的宽窄，达到漏极电流ID的目的；绝缘栅型管则是通过改变沟道的宽窄，来达到控制ID的目的。绝缘栅型管较结型管输入电阻更高，也便于高度集成。3、场效应管的主要参数及使用注意事项（1）主要参数①直流参数。夹断电压UGSA(off)

、开启电压UGS(th)、饱和漏极电流IDSS、直流输入电阻RCS②交流参数。这里主要介绍常用的低频跨导gm。③极限参数。最大漏极电流IDM、耗散功率PDM、漏源击穿电压U(BR)DS及栅源击穿电压U(BR)GS等。（