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第1章常用的半导体器件本讲稿第一页，共四十七页2 2、本征半导体、本征半导体 本征半导体本征半导体纯净的、不含其他杂质的半导体纯净的、不含其他杂质的半导体 本本征征半半导导体体的的导导电电能能力力很很弱弱，接接近近绝绝缘缘体体。导导电电性性取取决决于于外外加加能能量量：温温度度变变化化，导导电电性性变变化化；光光照照变变化化，导导电性变化。电性变化。电子载流子载流子空穴1.1.11.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性本讲稿第二页，共四十七页形成：形成：在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入微微量三价元素。量三价元素。(1)P(1)P型半导体型半导体3.3.杂质半导体杂质半导体1.1.11.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性多数载流子多数载流子空穴空穴 少数载流子少数载流子电子电子本讲稿第三页，共四十七页3.3.杂质半导体杂质半导体形成：形成：在本征半在本征半导体中掺入微导体中掺入微量五价元素。量五价元素。(2)N(2)N型半导体型半导体1.1.11.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性多数载流子多数载流子电子电子 少数载流子少数载流子空穴空穴本讲稿第四页，共四十七页1.PN1.PN结的形成结的形成1.1.2 PN1.1.2 PN结结动态平衡动态平衡形成空间电荷区形成空间电荷区PNPN结形成结形成P P型和型和NN型半导体结合型半导体结合扩散运动扩散运动内电场建立内电场建立阻碍扩散运动阻碍扩散运动促使漂移运动促使漂移运动多子浓度差多子浓度差本讲稿第五页，共四十七页2.PN2.PN结的单向导电特性结的单向导电特性（1 1）PNPN结正向偏置结正向偏置正正偏偏P P区区接接电电源源正正极极，NN区区接接电电源负极。源负极。PNPN结正偏时呈导通状态，正向电阻很小，正向电流很大。结正偏时呈导通状态，正向电阻很小，正向电流很大。1.1.2 PN1.1.2 PN结结本讲稿第六页，共四十七页（2 2）PNPN结反向偏置结反向偏置反反偏偏NN区区接接电电源源正正极极，P P区区接接电电源负极。源负极。PNPN结反偏时呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。结反偏时呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。2.PN2.PN结的单向导电特性结的单向导电特性1.1.2 PN1.1.2 PN结结本讲稿第七页，共四十七页（1 1）热击穿：不可逆，应避免。）热击穿：不可逆，应避免。（2 2）电电击击穿穿：可可逆逆。又又分分为为雪雪崩崩击击穿穿和和齐齐纳纳击击穿穿。无无论论发发生生哪哪种种击击穿穿，若对其电流不加以限制，都可能造成若对其电流不加以限制，都可能造成PNPN结的永久性损坏。结的永久性损坏。3.PN3.PN结的反向击穿特性结的反向击穿特性1.1.2 PN1.1.2 PN结结本讲稿第八页，共四十七页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 1.2.1 二极管的结构二极管的结构1.1.结构与符号结构与符号由一个由一个PNPN结构成结构成（a a）点接触型）点接触型（b b）面接触型）面接触型本讲稿第九页，共四十七页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 1.2.1 二极管的结构二极管的结构1.1.结构与符号结构与符号 在在PNPN结结的的两两端端各各引引出出一一根根电电极极引引线线，然然后后用用外外壳壳封封装装起起来来就就构成了半导体二极管（或称晶体二极管，简称二极管）。构成了半导体二极管（或称晶体二极管，简称二极管）。本讲稿第十页，共四十七页1.2.1 1.2.1 二极管的结构二极管的结构2.2.分类分类（a）点接触型 （b）面接触型 （c）平面型材料：硅二极管和锗二极管材料：硅二极管和锗二极管用途：整流、稳压、开关、普通二极管用途：整流、稳压、开关、普通二极管结构、工艺：点接触型、面接触型、平面型结构、工艺：点接触型、面接触型、平面型本讲稿第十一页，共四十七页1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型二极管的伏安特性及电路模型1.1.二极管的伏安特性二极管的伏安特性伏安特性是指二极管两端的伏安特性是指二极管两端的电压电压u与流与流过过二极管二极管电电流流i的关系。的关系。反向饱和电流反向饱和电流 本讲稿第十二页，共四十七页1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型二极管的伏安特性及电路模型（1）正向特性）正向特性 当外加正向电压小于死区电压当外加正向电压小于死区电压Uth 时，时，正向正向电电流流i0。Uth 又又称开启电压或门坎电压，硅管约为称开启电压或门坎电压，硅管约为0.5V，锗管约为，锗管约为0.1V。当正向电压继续增大至二极管完全导通后，两端电压基本为定值，当正向电压继续增大至二极管完全导通后，两端电压基本为定值，称为二极管的正向导通压降。硅管约为称为二极管的正向导通压降。硅管约为0.60.8V（通常取（通常取0.7V），锗），锗管约为管约为0.20.3V（通常取（通常取0.2V）。）。本讲稿第十三页，共四十七页1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型二极管的伏安特性及电路模型（2）反向特性）反向特性 外外加加反反向向电电压压时时，反反向向电电流流很很小小（IIS），而而且且在在相相当当宽宽的的反反向向电电压压范范围围内内，反反向向电电流流几几乎乎不不变变，因因此此，称称此此电电流流值值为为二二极极管管的的反反向向饱饱和和电电流流。在在室室温温下下，硅硅管管的的反反向向饱饱和和电电流流比比锗锗管管的的小小得多，小功率硅管的得多，小功率硅管的IS小于小于0.1A，锗锗管管为为几十微安。几十微安。当反向当反向电压电压达到达到U（BR）时时，反向，反向电电流急流急剧剧增大，二极管增大，二极管击击穿。穿。U（BR）称称为为反向反向击击穿穿电压电压，二极管一旦，二极管一旦击击穿，便失去穿，便失去单单向向导电导电性，使用性，使用时时要注意。要注意。本讲稿第十四页，共四十七页1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型二极管的伏安特性及电路模型2.2.温度特性温度特性 温度对二极管伏安特性的影响很大，如图温度对二极管伏安特性的影响很大，如图1.2.3中虚线部分中虚线部分为温度升高时的特性。特点概括如下：为温度升高时的特性。特点概括如下：（1）当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动）当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动二极管的导通压降降低。二极管的导通压降降低。（2）当温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动）当温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动反向饱和电流反向饱和电流IS增大。增大。（3）当温度升高时，反向击穿电压）当温度升高时，反向击穿电压U(BR)减小。减小。结论：结论：二极管是非线性元件；二极管具有单向导电性。二极管是非线性元件；二极管具有单向导电性。本讲稿第十五页，共四十七页1.2.3 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 1.最大整流电流最大整流电流IFM2.反向击穿电压反向击穿电压UBM3.反向电流反向电流IR4.最高工作最高工作频频率率fM 本讲稿第十六页，共四十七页1.3 1.3 特殊二极管特殊二极管1.3.1 1.3.1 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是一种特殊工稳压二极管是一种特殊工艺制造的面接触型硅二极管，艺制造的面接触型硅二极管，通常工作在反向击穿状态。通常工作在反向击穿状态。稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性曲线与硅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。曲线完全一样。1.1.基本概念基本概念本讲稿第十七页，共四十七页2.2.主要参数主要参数(1)(1)稳定电压稳定电压V VZ Z1.3.1 1.3.1 稳压二极管稳压二极管 UZ是指稳压管在正常工作（流过的电流在规定范围内）时，稳压管两端的电压值。（2 2）稳稳定定电电流流I IZ Z和最大和最大稳稳定定电电流流I IZMZM IZ是指稳压管在正常工作时的参考电流值，通常为工作电压等于UZ时所对应的电流值。当工作电流低于IZ时，稳压效果变差。若工作电流低于IZmin将失去稳压作用。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大反向电流，若工作电流高于IZM稳压管易击穿而损坏。（3）最大耗散功率）最大耗散功率PZM PZM是指稳压管的稳定电压UZ与最大稳定电流IZM的乘积，它是由管子的温升所决定的参数。IZM和PZM是为了保证管子不发生热击穿而规定的极限参数。本讲稿第十八页，共四十七页1.3.1 1.3.1 稳压二极管稳压二极管【例1.3.1】图1.3.2是稳压管稳压电路，其中R是限流电阻。已知UI=20V，R=1K，RL=1.5K，稳压管的稳定电压UZ=8V，最大整流电流IZmax=10mA。试求稳压管中通过的电流IZ是否超过IZmax。稳压二极管在工作时应反接，并串入一稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻只电阻R。电阻电阻R起限流作用，保护稳压管；其次起限流作用，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，从而起到稳以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。压作用。本讲稿第十九页，共四十七页1.3.1 1.3.1 稳压二极管稳压二极管解：先假设稳压管开路，则故稳压管能够击穿，UO=UZ=8V因为所以IZmax因为IZIZmax，故限流电阻选的合适。本讲稿第二十页，共四十七页 发光二极管发光二极管(LED)(LED)是一种将电能转化为光能的特殊二极管。是一种将电能转化为光能的特殊二极管。根据材料的不同可发出红、绿、兰、黄光泽。其工作电压一般为根据材料的不同可发出红、绿、兰、黄光泽。其工作电压一般为(1.5(1.53V),3V),工作电流为工作电流为(10mA(10mA30mA)30mA)。1.3.2 1.3.2 发光二极管发光二极管本讲稿第二十一页，共四十七页 又称为光敏二极管，反向偏置时光照又称为光敏二极管，反向偏置时光照导通。反向电流随光照强度的增加而上升。导通。反向电流随光照强度的增加而上升。是一种将光信号转化为电信号的特殊是一种将光信号转化为电信号的特殊二极管二极管,如影碟机中的激光二极管如影碟机中的激光二极管.1.3.3 1.3.3 光电二极管光电二极管本讲稿第二十二页，共四十七页1.4 1.4 双极型三极管双极型三极管 双极型半导体三极管（简称BJT），又称为双极型晶体三极管或三极管、晶体管等。之所以称为双极型管，是因为它由空穴和自由电子两种载流子参与导电。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。1.4.1 1.4.1 三极管的基本结构及类型三极管的基本结构及类型 1.1.结构与符号结构与符号本讲稿第二十三页，共四十七页1.4.1 1.4.1 三极管的基本结构及类型三极管的基本结构及类型2.2.三极管的分类三极管的分类按材料可分为：硅管和锗管两类。按工作频率高低可分为：低频管（3MHz以下）和高频管（3MHz以上）两类。按功率分为：大、中、小功率等。根据特殊性能要求可分为开关管、低噪声管、高反压管等等。3.3.三极管结构特点三极管结构特点 发射区的掺杂浓度发射区的掺杂浓度最高。最高。集电区掺杂浓度低于集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大。发射区，且面积大。基区很薄，一般在几个微米至基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最几十个微米，且掺杂浓度最低。低。本讲稿第二十四页，共四十七页1.1.电流放大条件电流放大条件 三极管的电流放大作用是在一定三极管的电流放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。体现出来的。内部条件：内部结构上的特点内部条件：内部结构上的特点外部条件：发射结正向偏置，外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置集电结反向偏置1.4.2 1.4.2 晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用本讲稿第二十五页，共四十七页（1 1）电流分配关系）电流分配关系 （2 2）电流放大关系）电流放大关系电电流流放放大大作作用用基基极极电电流流较较小小的的变变化化引引起起集集电电极极电电流较大的变化，即小量控制大量的作用。流较大的变化，即小量控制大量的作用。2.2.晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用1.4.2 1.4.2 晶体三极管的电流分配关系及电流放晶体三极管的电流分配关系及电流放 大作用大作用本讲稿第二十六页，共四十七页.输入特性曲线输入特性曲线1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线本讲稿第二十七页，共四十七页（1 1）u uCECE=0V=0V时，相当于两个时，相当于两个PNPN结并联。结并联。（3 3）u uCE CE 1V1V再增加时，曲线右移很不明显。不同的再增加时，曲线右移很不明显。不同的UCEUCE输入曲线几乎重合。输入曲线几乎重合。（2 2）当）当u uCE=CE=1V1V时，时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，区复合减少，在同一在同一u uBE BE 电压下，电压下，i iB B 减小。特性曲线将向右稍微移动一减小。特性曲线将向右稍微移动一些。些。1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线.输入特性曲线输入特性曲线本讲稿第二十八页，共四十七页1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线 输出特性是只在基极电流IB一定的情况下，集电极与发射极之间的电压uCE与集电极电流iC之间的关系，即2.2.输出特性曲线输出特性曲线 通常把输出特性曲线分成截止、饱和、放大三个工作区来分析半导体三极管的工作状态。本讲稿第二十九页，共四十七页1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线总结三极管三个工作区的特点，见表1.4.1.表1.4.1晶体管在不同工作状态下的特点 本讲稿第三十页，共四十七页【例1.4.1】测得工作在放大电路中两个晶体管管脚对地的电位分别如下表所列。试判断管型、电极及所用材料。1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线管脚123管脚123电位（V）+4.2+3.6+12电位（V）62.32晶体管1 晶体管2（1）晶体管1中，3脚电位最高，它是集电极C，且为NPN型管。1脚和2脚之间的电压为0.6V，可确定1脚是基极、2脚是发射极，且为硅管。（2）晶体管2中，1脚电位最低，它是集电极C，且为PNP型管。2脚和3脚之间的电压为0.3V，可确定2脚是基极、3脚是发射极，且为锗管。本讲稿第三十一页，共四十七页【例1.4.2】在图1.4.6中，给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位，试判定这些三极管是硅管还是锗管？处于哪种工作状态？1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线 （a)(b)(c)图1.4.6 例1.4.2图（1）在（a）图中，晶体管为NPN型。因为UBE=0.7V，发射结正偏，为硅管。又因为VBVC，集电结也正偏，故工作在饱和状态。本讲稿第三十二页，共四十七页【例1.4.2】在图1.4.6中，给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位，试判定这些三极管是硅管还是锗管？处于哪种工作状态？1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线 （a)(b)(c)图1.4.6 例1.4.2图（2）在（b）图中，晶体管为NPN型。因为UBE=0.3V，发射结正偏，为锗管。又因为VBVC，集电结反偏，故工作在放大状态。本讲稿第三十三页，共四十七页【例1.4.2】在图1.4.6中，给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位，试判定这些三极管是硅管还是锗管？处于哪种工作状态？1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线 （a)(b)(c)图1.4.6 例1.4.2图（3）在（c）图中，晶体管为PNP型。因为UBE0.600.6V，发射结反偏（PNP型），又因为VBVC，集电结也反偏，故工作在截止状态。此时无法判别是硅管还是锗管。本讲稿第三十四页，共四十七页ICEO=(1+)ICBO（2 2）交流电流放大系数）交流电流放大系数=IC/IB（1 1）直流电流放大系数直流电流放大系数=IC/IB 1.1.电流放大系数电流放大系数（1 1）集电极基极间反向饱和电流）集电极基极间反向饱和电流 ICBO（2 2）集电极发射极间穿透电流）集电极发射极间穿透电流 ICEO2.2.极间反向饱和电流极间反向饱和电流1.4.4 1.4.4 晶体三极管的主要参数晶体三极管的主要参数本讲稿第三十五页，共四十七页1.4.4 1.4.4 晶体三极管的主要参数晶体三极管的主要参数4.4.温度对三极管参数的影响温度对三极管参数的影响3.3.极限参数极限参数（1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICM（2）集）集电电极最大允极最大允许许耗散功率耗散功率PCM（3）集）集电电极极击击穿穿电压电压U(BR)CEO（1）对对IEBO、ICBO的影响的影响温度每升高温度每升高10，ICBO增大一倍。增大一倍。（2）对对的影响的影响温度每升高温度每升高1，增加增加0.5%1.0%左右左右（3）对发对发射射结导结导通通电压电压UBE的影响的影响温度每升高温度每升高1，UBE 减小减小22.5 mV。本讲稿第三十六页，共四十七页 晶晶体体三三极极管管（BJT）是是一一种种电电流流控控制制元元件件(iB iC)，工工作作时时，多多数数载载流流子子和和少少数数载载流流子子都都参参与与导导电电，所所以以被被称称为为双双极极型型器器件。件。场场效效应应管管（Field Effect Transistor简简称称FET）是是一一种种电电压压控控制制器器件件(uGS iD)，工工作作时时，只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，因因此此它它是是单单极型器件。极型器件。FET因因其其制制造造工工艺艺简简单单，功功耗耗小小，温温度度特特性性好好，输输入入电电阻阻极极高高等优点，得到了广泛应用。等优点，得到了广泛应用。1.5 1.5 场效应管场效应管本讲稿第三十七页，共四十七页场效应管分类场效应管分类1.5 1.5 场效应管场效应管本讲稿第三十八页，共四十七页1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 1.N 1.N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 （1 1）结构及符号）结构及符号本讲稿第三十九页，共四十七页栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，时，管子截止。管子截止。ID0 当当uGS0V时时 纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。耗尽层。1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 1.N 1.N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 本讲稿第四十页，共四十七页 再增加再增加UGS 纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，如果此时形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。开启电压（开启电压（UT）刚刚产生沟道所需的栅源电压刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。特性：特性：uGS UT，管子截止，管子截止，uGS UT，管子导通。，管子导通。uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流作用下，漏极电流ID越大。越大。（2 2）工作原理）工作原理1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管本讲稿第四十一页，共四十七页（3 3）特性曲）特性曲线线 1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管本讲稿第四十二页，共四十七页 P P沟道沟道MOSFETMOSFET的工作原理与的工作原理与N N沟道沟道MOSFETMOSFET完全相完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有这如同双极型三极管有NPNNPN型和型和PNPPNP型一样。型一样。P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管本讲稿第四十三页，共四十七页 2.N 2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管 1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管本讲稿第四十四页，共四十七页特点：特点：当当uGS=0时，就有沟道，加入时，就有沟道，加入uDS，就有，就有iD。当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。夹断电压（夹断电压（UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS 2.N 2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管 1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管本讲稿第四十五页，共四十七页 P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型MOS管的漏极电流iD和漏源电压uGS之间的关系表达式为 式中，IDSS称漏极饱和电流。它是UGS=0时的漏极电流。本讲稿第四十六页，共四十七页1.开启电压开启电压UT 栅源电压小于开启电压的绝对值栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。2.夹断电压夹断电压UP 当当uGS=UP时时,漏极电流为零。漏极电流为零。3.饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 当当uGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。4.输入电阻输入电阻RGS 结型场效应管结型场效应管:RGS大于大于107 MOS场效应管场效应管:RGS可达可达1091015。5.低频跨导低频跨导gm 反映了栅压对漏极电流的控制作用。反映了栅压对漏极电流的控制作用。1.5.2 1.5.2 场效应管的主要参数场效应管的主要参数本讲稿第四十七页，共四十七页