【教学课件】第1章半导体器件及其特性.ppt

第第1 1章章机械工业出版社同名教材机械工业出版社同名教材配套电子教案配套电子教案第第1 1章章 数字逻辑基础数字逻辑基础 1.1 普通二极管普通二极管 1.1.1 PN结结 半导体的导电特性半导体的导电特性 掺杂特性。掺杂特性。热敏和光敏特性。热敏和光敏特性。数字信号数字信号 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体4价元素掺入微量价元素掺入微量5价元素后形成。价元素后形成。多数载流子：电子；少数载流子：空穴。多数载流子：电子；少数载流子：空穴。4价元素掺入微量价元素掺入微量3价元素后形成。价元素后形成。多数载流子：空穴；少数载流子：电子。多数载流子：空穴；少数载流子：电子。图图1-1 本征半导体与掺杂半导体结构示意图本征半导体与掺杂半导体结构示意图 a)本征半导体本征半导体 b)N型半导体型半导体 c)P型半导体型半导体 数字电路的特点数字电路的特点图图1-2 PN结的形成结的形成 a)载流子的扩散运动载流子的扩散运动 b)平衡状态下的平衡状态下的PN结结 形成过程和原理：形成过程和原理：扩散。扩散。形成空间电荷区和内电场。形成空间电荷区和内电场。内电场阻止扩散运动，促进漂移运动。内电场阻止扩散运动，促进漂移运动。PN结内电场电位差：硅材料约结内电场电位差：硅材料约0.5 0.7V，锗材料，锗材料 约约0.2 0.3V。PN结单向导电性结单向导电性 加正向电压加正向电压导通。导通。加反向电压加反向电压截止。截止。图图1-3 外加电压时的外加电压时的PN结结 a)正偏正偏 b)反偏反偏1.1.2 二极管二极管 正向特性正向特性 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 死区段。死区段。导通段。导通段。反向特性反向特性 饱和段。饱和段。击穿段。击穿段。图图1-5 PN结伏安特性结伏安特性 数学表达式：数学表达式：IS：PN结反向饱和电流；结反向饱和电流；UT为温度电压当量：为温度电压当量：UT 26mV（T=300K）。）。硅二极管与锗二极管伏安特性的区别硅二极管与锗二极管伏安特性的区别 硅管的死区电压比锗管大，硅管导通正向压降比锗大。硅管的死区电压比锗管大，硅管导通正向压降比锗大。硅管的反向饱和电流硅管的反向饱和电流IS比锗管小得多。比锗管小得多。图图1-6 硅二极管与锗二极管伏安特性硅二极管与锗二极管伏安特性 温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响 温度升高后，二极管死区电压温度升高后，二极管死区电压Uth和导通正向压降和导通正向压降Uon下下降（正向特性左移）。降（正向特性左移）。温度每升高温度每升高1，Uon约减小约减小22.5mV。温度升高后，二极管反向饱和电流温度升高后，二极管反向饱和电流IS大大增大（反向特大大增大（反向特性下移）。性下移）。温度每升高温度每升高10，反向饱和电流约增大一倍。，反向饱和电流约增大一倍。图图1-7 温度对伏安特性的影响温度对伏安特性的影响 二极管的主要特性参数二极管的主要特性参数 最大整流电流最大整流电流IF 最高反向工作电压最高反向工作电压URM 反向电流反向电流IR和反向饱和电流和反向饱和电流IS 最高工作频率最高工作频率fM 理想二极管理想二极管 理想二极管模型理想二极管模型 恒压降模型恒压降模型图图1-8 理想二极管的伏安特性理想二极管的伏安特性a)理想二极管模型理想二极管模型 b)恒压降模型恒压降模型【例【例1-2】已知电路如图】已知电路如图1-10a、b所示，所示，VD为理想二极管，为理想二极管，E=5V，ui=10Sint（V），试分别画出输出电压），试分别画出输出电压uO波形。波形。图图1-10 例例1-2电路电路 解：（解：（1）图）图1-10a电路：电路：VD导通时，导通时，UD=0，按，按uO=UD+E=E=5V。VD截止时，电阻中无电流流过，截止时，电阻中无电流流过，UR=0，按，按uO=UR+ui=ui=10Sint（V）。）。VD端正极电压大于端正极电压大于5V时，时，VD导导通；小于通；小于5V时，时，VD截止。画出截止。画出uO波形如图波形如图1-10c所示。所示。例例1-2电路及电路及ui、uO波形波形（2）图）图1-10b电路：电路：二极管二极管VD导通时，导通时，uO=UD+ui=ui 二极管二极管VD截止时，截止时，uO=UR+(-E)=-E=-5VVD端正极电压大于端正极电压大于-5V时导通，时导通，小于小于-5V时截止，画出时截止，画出uO波形如波形如图图1-10d所示。所示。例例1-2电路及电路及ui、uO波形波形 解题说明解题说明：求解含有理想二极管电路时，可先判断二极：求解含有理想二极管电路时，可先判断二极管导通还是截止。若二极管导通，则用短路导线替代二管导通还是截止。若二极管导通，则用短路导线替代二极管极管VD；若二极管截止，则将二极管开路。然后按一；若二极管截止，则将二极管开路。然后按一般线性电路分析计算。般线性电路分析计算。1.2 特殊二极管特殊二极管 1.2.1 稳压二极管稳压二极管 伏安特性伏安特性与普通二极管的伏安与普通二极管的伏安特性相似。区别在于特性相似。区别在于反向击穿特性很陡，反向击穿特性很陡，反向击穿时，电流虽反向击穿时，电流虽然在很大范围内变化，然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压但稳压管两端的电压变化却很小。变化却很小。图图1-13 稳压二极管符号及伏安特性稳压二极管符号及伏安特性 a)符号符号 b)伏安特性伏安特性 稳压工作条件稳压工作条件 电压极性反偏；电压极性反偏；有合适的工作电流。有合适的工作电流。主要特性参数主要特性参数 稳定电压稳定电压UZ。稳定电流稳定电流IZ。最大耗散功率最大耗散功率PZM和最大工作电流和最大工作电流IZM。动态电阻动态电阻rZ。稳压管的质量参数，稳压管的质量参数，rZ越小，稳压管稳压特性越好。越小，稳压管稳压特性越好。电压温度系数电压温度系数Z 发光二极管发光二极管正向压降大多在正向压降大多在1.5V2V之间；之间；工作电流为几工作电流为几mA几十几十mA，亮度随电流增大而增强，典，亮度随电流增大而增强，典型工作电流型工作电流10mA；图图1-14 发光二极管符号及电路发光二极管符号及电路a)符号符号 b)应用电路应用电路1.3 双极型三极管双极型三极管1.3.1 三极管慨述三极管慨述 基本结构和符号基本结构和符号图图1-18 NPN型三极管的结构和符号型三极管的结构和符号a)结构示意图结构示意图 b)符号符号图图1-19 PNP型三极管的结构和符号型三极管的结构和符号a)结构示意图结构示意图 b)符号符号 分类分类 按极性分：按极性分：NPN型和型和PNP型；型；按半导体材料分：硅三极管和锗三极管；按半导体材料分：硅三极管和锗三极管；按用途分：放大管、开关管、功率管等；按用途分：放大管、开关管、功率管等；按工作频率分：低频管和高频管；按工作频率分：低频管和高频管；按功率大小分：小功率管和大功率管；按功率大小分：小功率管和大功率管；电流放大原理电流放大原理 三极管内部载流子的传输过程三极管内部载流子的传输过程图图1-20 NPN型三极管中载流子运动及各电极电流型三极管中载流子运动及各电极电流 电流分配关系电流分配关系 电流放大功能电流放大功能也可写成：也可写成：1.3.2 三极管的特性曲线和主要参数三极管的特性曲线和主要参数 三极管电路的三种基本组态三极管电路的三种基本组态 图图1-21 三极管三种基本组态电路三极管三种基本组态电路a)共射极共射极 b)共基极共基极 c)共集电极共集电极 共发射极特性曲线共发射极特性曲线 输入特性曲线输入特性曲线1）定义：）定义：2）特点：）特点：是一族曲线，是一族曲线，uCEV的那一条可以作为代表。的那一条可以作为代表。与二极管正向伏安特性曲线相似。与二极管正向伏安特性曲线相似。放大工作状态时，硅管放大工作状态时，硅管uBE约为约为0.60.7V，锗管约锗管约0.20.3V。图图1-22 NPN型三极管共型三极管共发射极电路输入特性曲线发射极电路输入特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线1）定义：）定义：2）特点：）特点：是一族曲线，对应于每一是一族曲线，对应于每一iB都有一条输出特性曲线。都有一条输出特性曲线。当当uCE1V后，曲线比较平坦，即后，曲线比较平坦，即iC不随不随uCE增大而增大。增大而增大。当当iB增加时，曲线上移，表明对于同一增加时，曲线上移，表明对于同一uCE，iC随随iB增大增大而增大，这就是三极管的电流放大作用。而增大，这就是三极管的电流放大作用。图图1-22 NPN型三极管型三极管共发射极电路输出特性曲线共发射极电路输出特性曲线 三极管共射电路工作状态三极管共射电路工作状态 图图1-23 三极管三极管3个工作区域个工作区域 放大区放大区 条件：发射结正偏，集电结反偏。条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：特点：iCiB，iC与与iB成正比关系。成正比关系。截止区截止区条件：发射结反偏，集电结反偏。条件：发射结反偏，集电结反偏。特点：特点：iB0，iCICEO0 饱和区饱和区 条件：发射结正偏，集电结正偏。条件：发射结正偏，集电结正偏。特点：特点：iC与与iB不成比例。即不成比例。即iB增大，增大，iC很少增大或不再增大，很少增大或不再增大，达到饱和，失去放大作用。达到饱和，失去放大作用。击穿区击穿区 击穿区不是三极管的工作区域。击穿区不是三极管的工作区域。三极管的主要参数三极管的主要参数 电流放大系数电流放大系数 集集-基反向饱和电流基反向饱和电流ICBO和集和集-射反向饱和电流射反向饱和电流ICEO是表征三极管质量的重要参数。是表征三极管质量的重要参数。ICEO与与ICBO的关系：的关系：图图1-24 三极管极间反向电流三极管极间反向电流a)ICBO b)ICEO 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM 集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压U(BR)CEO 饱和压降饱和压降UCES 特征频率特征频率fT图图1-25 ICEO、U(BR)CEO和和UCES图图1-26 三极管三极管PCM曲线曲线 三极管安全工作区三极管安全工作区图图1-27 三极管安全工作区三极管安全工作区【例【例1-4】已测得三极管各极对地电压值为】已测得三极管各极对地电压值为U1、U2、U3，且，且已知其工作在放大区，试判断其硅管或锗管？已知其工作在放大区，试判断其硅管或锗管？NPN型或型或PNP型？并确定其型？并确定其E、B、C三极。三极。U1=5.2V，U2=5.4V，U3=1.4V；U1=-2V，U2=-4.5V，U3=-5.2V。解：解：PNP型锗管，型锗管，U1、U2、U3引脚分别对应引脚分别对应B、E、C极；极；NPN型硅管，型硅管，U1、U2、U3引脚分别对应引脚分别对应C、B、E极。极。分析此类题目的步骤是：分析此类题目的步骤是：确定硅管或锗管，确定集电极确定硅管或锗管，确定集电极C。三极管工作在放大区时三极管工作在放大区时UBE：硅管约：硅管约0.60.7V，锗管约，锗管约0.20.3V。据此，可寻找电压差值为该两个数据的引脚。若为。据此，可寻找电压差值为该两个数据的引脚。若为0.60.7V，则该管为硅管；若为，则该管为硅管；若为0.20.3V，则该管为锗管，且该两，则该管为锗管，且该两引脚为引脚为B极或极或E极，另一引脚为极，另一引脚为C极。极。题题中中U1 U2、题、题中中U2 U3符合此条件，因此可确定：题符合此条件，因此可确定：题为为锗管，锗管，U3引脚对应引脚对应C极；题极；题为硅管，为硅管，U1引脚对应引脚对应C极。极。确定确定NPN型或型或PNP型。型。三极管工作在放大区时，满足三极管工作在放大区时，满足CB结反偏条件，结反偏条件，NPN型型C极极电压高于电压高于BE极；极；PNP型型C极电压低于极电压低于BE极。因此比较极。因此比较C极极电压与电压与BE引脚电压高低，可确定引脚电压高低，可确定NPN型或型或PNP型。型。题题中中U3低于低于U1 U2，为，为PNP型；题型；题中中U1高于高于U2U3，为，为NPN型。型。区分区分B极和极和E极。极。三极管工作在放大区时，三极管工作在放大区时，NPN型各极电压高低排列次序为型各极电压高低排列次序为UCUBUE；PNP型各极电压高低排列次序为型各极电压高低排列次序为UCUBUE。题题中中U1为为B极，极，U2为为E极；题极；题中中U2为为B极，极，U3为为E极。极。【例【例1-5】已测得电路中几个三极管对地电压值如图】已测得电路中几个三极管对地电压值如图1-31，已，已知这些三极管中有好有坏，试判断其好坏。若好，则指出其工知这些三极管中有好有坏，试判断其好坏。若好，则指出其工作状态（放大、截止、饱和）；若坏，则指出损坏类型（击穿、作状态（放大、截止、饱和）；若坏，则指出损坏类型（击穿、开路）。开路）。图图1-31 例例1-5电路电路 解：解：a）放大；）放大；b）饱和；）饱和；c）截止；）截止；d）损坏，）损坏，BE间开路；间开路；e）BE间击穿损坏或外部短路；或三极管好，处于截止状态；间击穿损坏或外部短路；或三极管好，处于截止状态；f）饱和；）饱和；g）放大；）放大；h）截止。）截止。分析此类题目的判据和步骤是：分析此类题目的判据和步骤是：判发射结是否正常正偏。判发射结是否正常正偏。凡满足凡满足NPN硅管硅管UBE=0.60.7V，PNP硅管硅管UBE=-0.6-0.7V；NPN锗管锗管UBE=0.20.3V，PNP锗管锗管UBE=-0.2-0.3V条件者，条件者，三极管一般处于放大或饱和状态。不满足上述条件的三极管处于三极管一般处于放大或饱和状态。不满足上述条件的三极管处于截止状态，或已损坏。截止状态，或已损坏。a）、）、b）、）、f）、）、g）满足条件；）满足条件；c）、）、d）、）、e）、）、h）不满足条件。）不满足条件。区分放大或饱和。区分放大或饱和。区分放大或饱和的条件是集电结偏置状态：区分放大或饱和的条件是集电结偏置状态：集电结正偏，饱和，此时集电结正偏，饱和，此时UCE很小，很小，b）、）、f）满足条件）满足条件；集电结反偏，放大，此时集电结反偏，放大，此时UCE较大，较大，a）、）、g）满足条件）满足条件。但若但若NPN管管UCUE，PNP管管UCUE，则电路工作不正常，则电路工作不正常，一般有故障。一般有故障。若若UC=VCC（电路中有集电极电阻（电路中有集电极电阻RC），说明无集电极），说明无集电极电流，电流，C极内部开路。极内部开路。若发射结反偏，或若发射结反偏，或UBE小于小于中数据，则三极管处于截中数据，则三极管处于截止状态或损坏。止状态或损坏。c）、）、e）、）、h）属于这一情况。）属于这一情况。若满足发射结正偏，但若满足发射结正偏，但UBE过大，也属不正常情况，过大，也属不正常情况，如如d）。1.4 场效应管场效应管场效应管只有一种载流子（多数载流子）参与导电，称为场效应管只有一种载流子（多数载流子）参与导电，称为单极型晶体管。单极型晶体管。分类分类 从结构上可分为结型和从结构上可分为结型和MOS型型(绝缘栅型绝缘栅型)。从半导体导电沟道类型上可分为从半导体导电沟道类型上可分为P沟道和沟道和N沟道。沟道。从有无原始导电沟道上可分为耗尽型和增强型。从有无原始导电沟道上可分为耗尽型和增强型。内部结构和工作原理内部结构和工作原理利用电场效应原理，用输入电压开启、夹断或改变导利用电场效应原理，用输入电压开启、夹断或改变导电沟道宽窄，从而控制输出电流的大小。电沟道宽窄，从而控制输出电流的大小。特性曲线特性曲线 转移特性转移特性1）定义：）定义：2）特点：）特点：为一族曲线。为一族曲线。|uDS|UGS(off)|后，曲线族基本重合。后，曲线族基本重合。也有死区，分别称为夹断电压也有死区，分别称为夹断电压UGS(off)(结型、耗尽型结型、耗尽型MOS适用适用)和开启电压和开启电压UGS(th)(增强型增强型MOS适用适用)。IDSS一般为场效应管最大电流。增强型一般为场效应管最大电流。增强型MOS无无IDSS参数。参数。3）数学表达式）数学表达式 结型、耗尽型结型、耗尽型MOS：增强型增强型MOS：图图1-32 N沟道场效应管转移特性沟道场效应管转移特性 输出特性输出特性1）定义：）定义：图图1-33 N沟道场效应管输出特性曲线沟道场效应管输出特性曲线a)结型结型 b)耗尽型耗尽型MOS c)增强型增强型MOS2）特点：）特点：类似于三极管输出特性曲线。类似于三极管输出特性曲线。N沟道结型、耗尽型沟道结型、耗尽型NMOS最最下面一条输出特性曲线下面一条输出特性曲线(最靠近最靠近横轴横轴)和和P沟道结型、耗尽型沟道结型、耗尽型PMOS最上面一条输出特性曲线最上面一条输出特性曲线的参数为：的参数为：uGSUGS(off)。N沟道沟道结型最上面一条结型最上面一条(P沟道结型最下沟道结型最下面一条面一条)输出特性曲线的参数为：输出特性曲线的参数为：uGS0。场效应管三个工作区域场效应管三个工作区域图图1-34 场效应管场效应管3个工作区域划分个工作区域划分 场效应管主要参数场效应管主要参数 夹断电压夹断电压UGS(off)或开启电压或开启电压UGS(th)饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 低频垮导（互导）低频垮导（互导）gm gm反映了反映了uGS对对iD控制能力，单位西控制能力，单位西(门子门子)，用，用S表表示示(S=1/)。由于场效应管的漏极和源极结构对称，因此漏、由于场效应管的漏极和源极结构对称，因此漏、源极可互换使用。源极可互换使用。场效应管与三极管性能比较场效应管与三极管性能比较 输入电阻大大高于三极管。输入电阻大大高于三极管。结型场效应管输入电阻约结型场效应管输入电阻约107；MOS场效应管输入电阻可高达场效应管输入电阻可高达1015。场效应管热稳定性比三极管好。场效应管热稳定性比三极管好。场效应管制造工艺简单，成本低，便于大规模集成。场效应管制造工艺简单，成本低，便于大规模集成。场效应管是电压控制元件，用栅源电压场效应管是电压控制元件，用栅源电压uGS控制输出控制输出电流电流iD（相当于三极管用（相当于三极管用iB控制控制iC）。反映场效应管放）。反映场效应管放大控制能力的是低频垮导大控制能力的是低频垮导gm（相当于三极管的（相当于三极管的）。）。测试：不能用万能表测试测试：不能用万能表测试MOS场效应管，必场效应管，必须用测试仪。任何时候，栅极不能是悬空。须用测试仪。任何时候，栅极不能是悬空。场效应管安全使用常识场效应管安全使用常识保存：应将各极短路保存。保存：应将各极短路保存。焊接：电烙铁应良好接地。焊接：电烙铁应良好接地。