电子技术（第5版）课件 第1章 常用半导体器件

电子技术第1章常用半导体器件1.2半导体二极管1.3特殊二极管1.4晶体管1.1半导体基础知识1.5场效应管1.6光电晶体管和光电耦合器第1章常用半导体器件1.了解半导体导电基本知识、各种半导体导电机理2.理解PN结的单向导电性3.了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理、特性曲线

和主要参数4.了解晶体管的构造，理解电流分配、电流放大作用、特

性曲线和主要参数5.了解场效应管的基本构造、工作原理主要参数本章要求第1章常用半导体器件1.什么是本征半导体硅单晶中的共价键结构（平面结构）晶体中原子的排列（立体结构）

每个原子都处在4面体的中心，而其他4个原子位于四面体的顶点半导体一般都具有这种晶体结构

共价键中的两个电子称为价电子

Si

Si

Si

Si价电子1.1半导体基础知识完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体2.半导体导电机理价电子硅单晶中的共价键结构（平面结构）空穴自由电子（1）本征激发

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，

即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），

同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）

自由自在&温度成正比在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）（2）外电场作用

Si

Si

Si

Si1.1半导体基础知识3.PN结形成在同一片半导体基片上，P型和N型半导体的交界面处就形成了PN结多子扩散运动多子边扩散边复合少子漂移运动N型半导体P型半导体*空间电荷区越宽，内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄*扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当两个区间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变*

扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽注意：（1）空间电荷区中没有载流子（2）空间电荷区中内电场阻碍P区中的

空穴、N区中的电子（都是多子）

向对方作扩散运动（3）P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，故形成电流很小空间电荷区也称耗尽层1.1半导体基础知识内电场－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－++++++++－－－－－－－－（1）PN结加正向电压（正向偏置）－－－－－－－－－++++++－－－+++++++++－－－USR+-IF外电场内电场PN－－－－－－－－－－－－++++++－－－+++++++++USR-+IF外电场内电场PN4.PN结单向导电性（2）PN结加正向电压（反向偏置）1）内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流2）PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态1）内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流2）PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态1.1半导体基础知识（1）点接触型（2）面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路

结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路用于集成电路制作工艺，PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中1.二极管结构（3）平面型点接触型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅面接触型（平面型）1.2半导体二极管2）外加电压大于死区电压二极管才能导通3）死区电压：硅管0.5V锗管0.1V

导通电压：硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V注意：

1）外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性（非线性）反向击穿电压U(BR)导通压降正向特性反向特性UI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数阴极阳极D2.伏安特性3.主要参数1）最大整流电流IOM使用时允许流过二极管最大正向平均电流2）反向工作峰值电压URWM保证不被击穿的反向峰值电压，约为反向击穿电压UBR的1/2~2/3，否则二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏1.2半导体二极管3）反向峰值电流IRM加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，则管子的单向导电性差，IRM受温度影响，温度越高反向电流越大（硅管小；锗管大，为硅管的几十~几百倍）3.主要参数4.二极管的单向导电性（1）加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极

接负）时，二极管处于正向导通状态，二

极管正向电阻较小，正向电流较大（2）二极管加反向电压（反向偏置）时，二极

管处于反向截止状态，二极管反向电阻较

大，反向电流很小（3）外加电压大于反向击穿电压管子被击穿，失去单向导电性（4）二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大根据不同要求选择二极管*导通电压低时选锗管*反向电流小时选硅管*导通电流大时选面结合型*工作频率高时选点接触型*反向击穿电压高时选硅管*耐高温时选硅管1.2半导体二极管（1）定性分析判断二极管的工作状态（正向导通、反向截止）否则，正向管压降硅0.6~0.7V；锗0.2~0.3V（3）分析方法将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。（2）正向压降理想二极管正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开5.应用说明6.应用说明例题1：试求图示电路电压UAB。D6V12V3k

BAUAB+–––++解：设B点作参考点，断开二极管，分

析二极管阳极和阴极的电位V阳

=－6V，V阴=－12VV阳>V阴二极管导通，忽略管压降，D可视短路

UAB=－6V若V阳

>V阴或UD为正（正向偏置），二极管导通若V阳

<V阴或UD为负（反向偏置），二极管截止1.2半导体二极管否则

UAB=－6.3V或UAB=－6.7V二极管起钳位作用

D6V12V3k

BAUAB+–––++解：例题2：试求图示电路电压UAB。BD16V3k

AD2UAB+–12V++––解：设

B点作参考点（1）断开二极管，分析管子阳、阴极电位V1阳

=－6V，V2阳=0VV1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V又∵

UD2>UD1∴D2优先导通，D1截止忽略UD管压降，二极管可看作短路，故

UAB

=0V（2）流过D2

的电流为D1承受反向电压为－6VD2起钳位作用，D1起隔离作用D1、D2的阴极接于A点，故D2的反向压降等于UAB1.2半导体二极管已知图示电路中，ui=18sinωtV二极管是理想的，试画出uo

波形。例题3：二极管在电路中用作限幅D8VRuoui++–––+ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui二极管阴极电位为8V解：8Vui18VOuo例题4：试求图示电路中电流I1、I2、Io和输出电压Uo值（D为硅二极管）DUoRLR1kW3kWIoI1I215V12V+-+-+-解：（1）假设二极管断开开路处电压UP=15V二极管端电压UD>0.7V，二极管导通近似等效为0.7V的恒压源1.2半导体二极管Uo=（15

0.7）V=14.3VIo=Uo/RL=14.3V/3

kΩ

=4.8mAI1=Io+I2=（4.8+2.3）mA=7.1mAI2=(Uo

12)/R=（14.3

12）/1

=2.3mA例题4：试求图示电路中电流I1、I2、Io和输出电压Uo值（D为硅二极管）DUoRLR1kW3kWIoI1I215V12V+-+-+-（2）UD=0.7V时，电路其他量分别为例题5：在图示的硅二极管电路中，要求：（1）画出电压传输特性曲线；（2）已知ui＝10sin

tV，画出ui和uo波形。5.1kΩ-+ui+-2V+-D24V-+uoD1解：（1）分析电路工作情况断开二极管，分析各二极管的导通条件：D1只能在ui>2.7V时导通；D2只能在ui<-4.7V时导通；故-4.7V<ui<2.7V时，D1、D2均截止-D26V+D11.2半导体二极管当ui<-4.7V时，D1截止，D2导通

uo＝-4.7V5.1kΩ-+ui+-2V+-D24V-+uoD1例题5：图示电路中已知ui=10sinωtV，二极管导

通压降为0.7V。试求输出电压uo。当ui>2.7V时，D1管导通，D2管截止

uo＝2.7V当-4.7V<ui<2.7V时，D1、D2管均截止

uo＝ui该电路为双向限幅电路，常用作保护短路（2）画出电压传输特性曲线和ui和uo的波形1.2半导体二极管1.3特殊二极管1.稳压管稳压管正常工作时加反向电压（1）符号_+稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用（2）伏安特性注意：使用时要加限流电阻（3）主要参数1）稳定电压UZ

正常工作(反向击穿)时管子两端的电压2）电压温度系数

ｕ环境温度变化1C稳压值变化百分数3）动态电阻rZ愈小稳压性愈好4）稳定电流IZ、最大稳定电流IZM5）最大允许耗散功率PZM=UZIZMUIOUZIZIZM

UZ

IZ1.3特殊二极管2.光电二极管将光信号转换为电流信号（1）符号光电二极管是在反向电压作用下工作。当无光照时，和普通二极管一样，其反向电流很小。当有光照时，其反向电流增大，称为光电流（2）伏安特性IU照度增加O1.3特殊二极管3.发光二极管将电信号转换为光信号，也称LED（1）符号（2）伏安特性当LED通过正向电流时会发出可见光，发光的颜色有红、黄绿等与所用的材料有关LED死区电压比普通二极管高，正向电压一般为1.5~2.5V。LED的亮度与正向电流的大小成正比，正向工作电流为5~15mAIUOLED驱动电压低、工作电流小，具有较强的抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点（2）符号BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管（也称半导体三极管）BECPNP型PPN基极发射极集电极1.4晶体管BECNPN型NNP基极发射极集电极1.基本结构实物图片（1）结构基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结基极发射极集电极BECNNP集电区：面积最大1.4晶体管2.结构特点晶体管测试仪器BECNNPUBRB+-UCRC+-（1）三极管放大的外部条件发射结正偏、集电结反偏从电位的角度看：NPNPNP

发射结正偏VB>VEVB<VE集电结反偏VC>VB

VC<VB（2）电流放大和分配1.4晶体管3.电流放电放大作用和电流分配IBIEICIB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.702.102.303.103.95<0.0010.722.142.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）

IC

IB实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流变化的CCCS器件（2）电流放大和分配BECNNPUBRB+-UCRC+-IBIEICIB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.702.102.303.103.95<0.0010.722.142.363.184.051.4晶体管3.电流放电放大作用和电流分配放大作用：基极电流IB的微小变化能够引起集电极电流IC较大变化的特性称为晶体管

的电流放大作用1.4晶体管3.电流放电放大作用和电流分配BECUBRB+-UCRC+-IBEICBOIE发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE基区空穴向发射区的扩散可忽略进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结从基区扩散来电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICEICE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO（3）内部载流子运动规律1.4晶体管3.电流放电放大作用和电流分配（3）内部载流子运动规律IC=ICE+ICBO

ICEIB=IBE-ICBO

IBE

共发射极电流放大倍数集－射极穿透电流,

温度

ICEO

（常用公式）若IB=0,则

IC

ICE0忽略ICE0，IC≈βIBBECUBRB+-UCRC+-IBEICBOIEICEIBIC1.4晶体管4.晶体管特性曲线晶体管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据为什么要研究特性曲线：

1）直观地分析管子的工作状态

2）合理地选择偏置电路参数，设计性能良好电路

重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线输入回路输出回路IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VOICUBmA

AVUCEUBERBIBUCV++–––++–共射极实验电路死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V（2）输入特性正常工作时发射结电压：NPN型硅管UBE

0.6~0.7VPNP型锗管UBE

0.2~0.3V（1）实验电路IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区1）放大区IC=

IB，线性区具有恒流特性输出特性曲线通常分三个工作区（3）输出特性

发射结正向偏置;集电结反向偏置IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区2）截止区IB<0以下区域截止区，有IC0

发射结、集电结向反偏置1.4晶体管4.晶体管特性曲线

深度饱和时：硅管UCES0.3V

锗管UCES0.1VUCE

UBE，饱和状态

IB

IC，发射结、集电结正向偏置

IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区3）饱和区输出特性曲线通常分三个工作区（3）输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区1.4晶体管4.晶体管特性曲线设计电路、选管依据直流电流放大系数交流电流放大系数注意：在特性曲线近于平行等距，且ICE0较小情况下，两者数值接近（常用管子

≈20~200）（2）集-基极反向截止电流ICBO（1）电流放大系数β、β

ICBO

A+–UC+-

ICBO受温度的影响大，温度

ICBO

（3）集-射极反向截止电流（穿透电流）ICEO

ICEO受温度的影响大，温度

ICEO

IC也相应增加。三极管的温度特性较差

AICEOIB=0+–+–UC1.4晶体管5.晶体管主要参数1.4晶体管5.晶体管主要参数（4）集电极最大允许电流ICM（5）集-射极反向击穿电压U(BR)CEO（6）集电极最大允许耗散功耗PCMIC上升导致

下降（2/3

，IC=ICM

）UCE超过一定数值，管子就会被击穿PCM与温升有关，功率大、温升高、管子烧坏

PC

PCM=ICUCE

硅管允许结温约为150C，锗管约为70

90CICBO

A+–UC+-

AICEOIB=0+–+–UC（1）安全工作区（由三个极限参数获得）ICUCE=PCMICM安全工作区U(BR)CEO（2）晶体管与温度关系♦温度每增加10

C，ICBO增大一倍，硅管优于锗管♦温度每升高1

C，UBE将减小–(2~2.5)mV，即晶

体管具有负温度系数♦温度每升高1

C，

增加0.5%~1.0%36IC(mA)1234UCE(V)912O1.4晶体管6.使用注意问题（3）复合晶体管方式一CBET1T2ibicieBEC1.4晶体管6.使用注意问题（3）复合晶体管方式一CBET1T2ibicieBECCBET1T2ibicieBEC方式二

1

2复合晶体管的类型取决于T11.5场效应管利用电场效应来控制电流的半导体器件，即是电压控制元件。其输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，故输入电阻高，且温度稳定性好结型场效应管按结构不同分绝缘栅型场效应管√

按工作状态可分场效应管（场效应晶体管）增强型和耗尽型两类每类又有N沟道和P沟道之分B1.N沟道增强型绝缘栅场效应管1.5场效应管（1）结构漏极D栅极G源极SP型硅衬底

高掺杂N区SiO2绝缘层金属电极栅极和其它电极及硅片之间被绝缘，称绝缘栅型场效应管（2）符号金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，又称金属-氧化物-半导体场效应管，即MOS场效应管GSDBN沟道+++++GSDBP沟道SGDB-----1.N沟道增强型绝缘栅场效应管1.5场效应管（3）工作原理N+N+P型（衬底）SGD♦由结构图可见，N+型漏区和N+型源区

之间被P型衬底隔开，漏极和源极之

间是两个背靠背的PN结SD♦当栅源电压uGS=0时，不管漏极和源极间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零♦当uGS>0时，P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N+N+P型（衬底）SGDuGS-+N+N+P型（衬底）SGDuGS-+1.N沟道增强型绝缘栅场效应管1.5场效应管（3）工作原理♦

当uGS

UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，

开始导通，若漏–源之间加上一定电压uDS，则

有漏极电流iD产生♦当