第1A章 基本半导体分立器件

第1章基本半导体分立器件本章点睛各种基本电子器件能完成某种功能的电子电路复杂的电子电路系统《电子技术》尹常永主编•问题1：这一章要学什么呢?•问题2：“分立”是什么意思？•问题3：顾名思义，半导体器件一定是由半导体材料制成的，为什么其他材料，比如说导体不能作为构成电子器件的主要材料呢？在进行本章的学习之前，先来看看下面的3个问题。退出二极管半导体基础知识与PN结晶体管场效应管本章小结退出1.1半导体基础知识与PN结主要要求：了解半导体材料的基本知识理解关于半导体的基本概念理解PN结的形成掌握PN结的单向导电作用退出常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），高纯度的硅和锗都是单晶结构，它们的原子整齐地按一定规律排列，原子间的距离不仅很小，而且是相等的。把这种纯净的、原子结构排列整齐的半导体称为本征半导体。1.1.1本征半导体硅和锗的外层价电子都是4个，所以都是4价元素，右图是硅和锗的原子结构示意图。（a）硅原子结构（b）锗原子结构退出这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示：价电子（热激发）自由电子-空穴对（1）温度越高，自由电子-空穴对数目越多；（2）自由电子-空穴数目相等，对外不显电性。硅（锗）原子在晶体中的共价键排列复合平衡1.本征激发与复合退出2.自由电子运动与空穴运动I=In（电子电流）+Ip（空穴电流）INIP外电路中的电流I退出本征半导体实际使用价值不大，但如果在本征半导体中掺入微量某种杂质元素，就形成了广泛用来制造半导体元器件的N型和P型半导体。1.1.2杂质半导体根据掺入杂质的不同掺杂半导体可以分为N型半导体P型半导体退出（1）N型半导体——杂质为少量5价元素，如磷（P）；（2）P型半导体——杂质为少量3价元素，如硼（B）。1.1.2杂质半导体N型磷原子自由电子自由电子——多数载流子空穴——少数载流子载流子数电子数P型硼原子空穴空穴——多子自由电子——少子载流子数空穴数退出注意：无论是N型还是P型半导体都是电中性，对外不显电性！！！退出1.1.3PN结形成与单向导电性什么是PN结？PN结是P型与N型半导体区域交界处的特殊带电薄层，具有特殊的单向导电性，是半导体元器件制造的基础单元。退出1.1.3PN结形成与单向导电性载流子浓度差复合(耗尽层)内电场阻碍多子扩散帮助少子漂移扩散漂移动态平衡注意：动态平衡的PN结交界面上无电流流过，即I=0。内电场PN结的形成多子扩散空间电荷区平衡PN结P区N区1.1.3PN结形成与特性（1）PN结的正向导通特性——正偏导通（P区电位高于N区）内电场外电场所以，正偏时扩散运动增强，漂移运动几乎减小为0，宏观上形成很大的正向电流IF。外电场越强，正向电流越大，PN结的正向电阻越小。P区N区多子空穴多子自由电子正向电流IF+UR退出+UR1.1.3PN结形成与特性（2）PN结的反向截止特性——反偏截止（P区电位低于N区）P区N区少子自由电子少子空穴反向电流IR内电场外电场所以，反偏时漂移运动增强，扩散运动几乎减小为0，由于少子数目较少，宏观上形成极小的反向电流IR（接近于0）。外电场增强，反向电流也几乎不增加，PN结的反向电阻很大。退出1.1.3PN结形成与特性要记住：（1）外加正向电压时PN结的正向电阻很小，电流较大，是多子扩散形成的；（2）外加反向电压时PN结的反向电阻很大，电流极小，是少子漂移形成的。要注意：PN结电路中要串联限流电阻。退出退出1.2二极管主要要求：了解半导体二极管的结构、类型、特性与参数掌握半导体二极管在电子技术中的应用退出1.2.1二极管概述一个PN结加上相应的外引线，然后用外壳封装就成为最简单的二极管了，其中，从P区引出的引线叫做阳极或正极、从N区引出的引线叫做阴极或负极。常用D（Diode）表示二极管。图中的箭头表示正偏时的正向电流方向。退出1.二极管的符号与常见外形分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型金属触丝N型锗P型层阳极阴极面接触型P型扩散层锡支架N型硅SiO2保护层阴极阳极1.常见二极管的外形2.二极管的伏安特性半导体二极管的内部就是一个PN结，因此二极管具有和PN结相同的单向导电性，实际的二极管伏安特性曲线如下图所示：u/Vi/mA正向特性死区电压反向特性IS0μA击穿电压击穿特性反向电流硅管2CP12锗管2AP9退出3.二极管的特性与参数PN结的正向和反向电流与外加电压的关系可以用公式表示为：)1(TU/USeII反向饱和电流温度的电压当量，常温下：UT=26mV当U0时为正向特性；当U0时为反向特性。退出3.二极管的特性与参数2.二极管的主要参数（1）最大整流电流IF——指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。（2）最高反向工作电压UBR——指二极管不击穿时所允许加的最高反向电压，UBR通常是反向击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。（3）反向电流IR——在常温下和规定的反偏电压下的反向电流。退出1.2.2稳压二极管【相关链接】稳压二极管的温度特性1.2.3发光二极管1.发光二极管的符号及特性发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED（LightEmittingDiode）。和普通二极管相似，LED也是由一个PN结组成的，当正向导通时可以发出一定波长的可见光，常有红、绿、黄等颜色。也有可以发出红外光等不可见光的发光二极管。退出1.2.3发光二极管发光二极管具有驱动电压低、工作电流小、具有很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，广泛应用于信号指示等电路中。一般LED的工作电流为几十mA，正向导通压降为（1.53)V，安全使用电压应选择5V以下。退出1.2.3发光二极管（a）反偏（b）正偏1.2.4二极管的应用电路举例二极管是电子电路中常用的半导体器件，利用其单向导电性和正向压降很小的特点，可应用于整流、检波、钳位、限幅、开关以及元件保护等各项工作。1.整流应用——整流就是利用二极管的单向导电特性将交流电变成单方向脉动的直流电的过程，这部分内容将在第6章作详细介绍。退出1.2.4二极管的应用电路举例2.限幅——利用二极管正向导通后两端电压很小且基本不变的特性可以构成各种限幅电路，使输出电压限制在某一电压值以内。下图为一正、负对称限幅电路:ui=5sinωt（V），US1=US2=3V。可见，如忽略二极管正向导通压降，输出被限制在大约±3V之间。OtuO/V33-5ui/VOt53-3退出1.2.4二极管的应用电路举例3.稳压应用4.开关应用退出图1.2.8光电耦合装置的应用5．光电转换与隔离二极管的极性判别与性能测试:（1）二极管的极性判别（2）性能测试退出1.3晶体管主要要求：了解半导体晶体管的结构、类型与参数掌握半导体晶体管的电流分配关系掌握半导体晶体管的特性曲线的含义理解晶体管的放大作用了解复合晶体管的概念与意义退出晶体管的结构1.3.1晶体管的结构和类型NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区NPN型ECB三区三极两结集电区基区发射区集电极Collector基极Base发射极Emitter集电结发射结—集电区—发射区PPNPNP型常见三极管的外形与实物退出下面以NPN管为例讨论晶体管的电流分配与放大作用，所得结论一样适用于PNP三极管。1.3.2晶体管的基本工作原理注意：晶体管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏晶体管电流关系实验电路1.晶体管的电流分配关系1.晶体管的电流放大作用三极管的电流放大作用退出晶体管电流分配和放大作用正偏使发射结使集电结反偏1.发射区向基区发射电子，形成发射极电流IE的主要成份。IE2.基区中电子的复合形成基极电流IB的主要成份。IB3.集电区收集电子形成集电极电流IC的主要成份。IC退出综上所述，得到三极管的电流分配关系：（1）IE=IC+IB（2）IC=βIB（3）IE=IC+IB=（1+β）IB≈IC晶体管中还有一些少子电流，比如ICBO，通常可以忽略不计，但它们对温度十分敏感。退出1.3.3晶体管的特性曲线晶体管有三个电极，因此，分别将三极管的三个电极作为输入端、输出端和公共端，有三种不同的三极管电路的组成方式。根据公共电极的不同，分别叫做共发射极电路、共集电极电路和共基极电路。退出1.3.3三极管的特性曲线1.输入特性曲线常数CE)(BEBuufiuCE≧1V，集电结反偏，电场足以将发射区扩散到基区的载流子吸收到集电区形成IC，uCE再增大曲线也几乎不变死区电压与导通电压UBE硅管分别约为0.5V和0.7V锗管分别约为0.1V和0.3V（1）截止区——iB=0曲线以下的区域：iC=ICEO≈0，两结均反偏，三极管各电极电流均约等于0，所以可以等效为断开的开关；退出1.3.3三极管的特性曲线2.输出特性曲线常数B)(CECiufi放大区截止区ICEO饱和区（2）放大区——在iB=0的特性曲线上方，近似平行于横轴的曲线族部分：iC基本不随uCE变化仅受iB控制，iC=βiB，发射结正偏、集电结反偏，相当于受控电流源。uCE/ViC/mA100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O246810252015105（3）饱和区——输出特性曲线近似直线上升部分：三极管饱和时管压降uCE很小，叫做饱和压降uCES，两结均正偏，相当于闭合开关。退出1.3.4三极管的主要参数1.电流放大系数交流电流放大系数直流电流放大系数交流、直流电流放大系数的意义不同，但在输出特性线性良好的情况下，两个数值的差别很小，一般不作严格区分。退出1.3.4三极管的主要参数2.极间反向电流集、基间反向饱和电流集、射间反向饱和电流（穿透电流）测试电路测试电路反向电流受温度影响大越小越好退出1.3.4三极管的主要参数3.极限参数集电极最大允许电流反向击穿电压集电极最大允许耗散功率集电极电流超过一定数值时β要下降击穿时三极管电流急剧增大，会使三极管损坏功耗过高会烧毁三极管3.极限参数和4.温度对晶体管参数的影响晶体管受温度影响较大的参数是1.3.5晶体管在电子技术的应用1.放大应用2.开关应用（a）开关电路（b）截止时的等效电路（c）饱和时的等效电路【相关链接】你会用万用表对三极管的电极与性能进行简单的测试吗？退出1.4场效晶体管主要要求：了解场效应管的结构、特点了解场效应管的原理、特性曲线与参数场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体三极管，是利用一种载流子导电的单极型器件。特点：具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点，制作工艺简单、便于集成。退出1.N沟道增强型绝缘栅场效应管MOSFET的结构(MentalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)1.4.1绝缘栅场效应管的原理和特性P型硅衬底S—源极SourceG—栅极GateD—漏极DrainDSGSiO2绝缘体金属铝N沟道DGS还有多种其他类型的场效应管，比如这是P沟道耗尽型场效应管的符号：退出1.4.1绝缘栅场效应管的原理和特性2.场效晶体管的电压控制作用1）MOS管的栅极是绝缘的，因此管子的输入电阻可达1010欧姆以上，故iG≈0。所以和三极管不同的是：场效应管不是用栅极电流来控制漏极输出电流的，而是利用输入栅源电压UGS来控制漏极输出电流ID，是电压控制器件；2）和三极管的类似的参数是低频跨导3）在场效应管的放大作用中，少子并不参与控制作用，是单极型器件退出1.4.1绝缘栅场效应管的原理和特性3.增强型NMOS管的特性曲线（1）转移特性曲线（2）漏极特性曲线常数DSGSDu)u(fi常数GSDSDu)u(fi退出1.4.2场效应管的主要参数常数DSuiGSDmgu1.开启电压——当uDS为常数时，有沟道将漏、源极连接起来的最小|uGS|值，称开启电压。2.低频跨导gm——uDS为定值时，iD的变化量与引起该变化的uGS的变化量