第5章 半导体器件课件.ppt

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1、第二部分第二部分 模拟电子技术基础模拟电子技术基础 n第第5章章 半导体器件半导体器件 n第第6章章 基本放大电路基本放大电路 n第第7章章 集成运放及其应用集成运放及其应用 n第第8章章 直流稳压电源直流稳压电源 n5.1 半导体基础知识半导体基础知识 n5.2 半导体二极管半导体二极管n5.3 半导体三极管半导体三极管n5.4 场效应管场效应管第第5 5章章 半导体器件半导体器件 5.1 半导体及半导体及PN结结 半导体器件半导体器件是是20世纪中期开始发展起世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高可

2、靠性高、输入功率小和功率转换效率高等等优点优点，因而在现代电子技术中得到广泛，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。半导体器件是构成电子电路的基的应用。半导体器件是构成电子电路的基础。半导体器件和电阻、电容、电感等电础。半导体器件和电阻、电容、电感等电子元器件连接起来，可以组成各种电子电子元器件连接起来，可以组成各种电子电路。路。 顾名思义，半导体器件都是由半导体材顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，因此必须先对半导体材料的特料制成的，因此必须先对半导体材料的特点有一定的了解。点有一定的了解。下一页 返回 5.1.1 半导体的基本特性半导体的基本特性 在自然界中存在着许多不同的物质，根据

3、在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为其导电性能的不同大体可分为导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体三大类。三大类。 通常将很容易导电、电阻率小于通常将很容易导电、电阻率小于10-4cm的的物质，称为物质，称为导体导体；将很难导电、电阻率大于；将很难导电、电阻率大于10 10cm的物质，称为的物质，称为绝缘体绝缘体；将导电能力介于；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在导体和绝缘体之间、电阻率在10-4 cm 10 10 cm范围内的物质，称为范围内的物质，称为半导体半导体。 下一页上一页返回 1、热敏性、热敏性 所谓所谓热敏性热敏性就是半导体的导电能力随着温就是半

4、导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。度的升高而迅速增加。 上一页 下一页 返回2、光敏性、光敏性 半导体的导电能力随光照的变化有显著改半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做变的特性叫做光敏性光敏性。 3、杂敏性、杂敏性 所谓所谓杂敏性杂敏性就是半导体的导电能力因掺入就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。适量杂质而发生很大的变化。 1. 本征半导体的导电特性本征半导体的导电特性 本征半导体本征半导体就是一种纯净的半导体晶体。就是一种纯净的半导体晶体。 由于现在所用的半导体材料仍然主要是由于现在所用的半导体材料仍然主要是硅硅和和锗锗，所以在这里只讨论硅和锗的原子结构，所

5、以在这里只讨论硅和锗的原子结构，图图3-1所示是硅和锗的原子结构简化模型。硅和锗所示是硅和锗的原子结构简化模型。硅和锗的外层电子都是的外层电子都是4个，它们是四价元素。随着原个，它们是四价元素。随着原子间的相互靠近，价电子相互作用并形成晶体。子间的相互靠近，价电子相互作用并形成晶体。晶体的最终结构是四面体，每个原子晶体的最终结构是四面体，每个原子(硅或锗硅或锗)周周围都有围都有4个临近的个临近的(硅或锗硅或锗)原子，分布在两个原原子，分布在两个原子间的价电子构成共价键。子间的价电子构成共价键。下一页上一页返回5.1.2 半导体的导电特性半导体的导电特性图图5-1 硅和锗的原子结构硅和锗的原子结

6、构简化简化模型模型 返回siSi硅原子硅原子GeGe锗原子锗原子上一页 下一页+4+4 硅和锗四面体结构一般硅和锗四面体结构一般用用二维平面图二维平面图来表示。来表示。右图右图所示是硅和锗晶体结构平面所示是硅和锗晶体结构平面图。在晶体结构中，通过电图。在晶体结构中，通过电子运动，每一半导体原子最子运动，每一半导体原子最外层的外层的4个价电子与相邻的个价电子与相邻的4个半导体原子的各一个价电个半导体原子的各一个价电子组成子组成4对共价键，并按规对共价键，并按规律排列。律排列。下一页上一页返回+4+4+4+4 当价电子在外部能作用下，一部分当价电子在外部能作用下，一部分价电子脱离共价键的束缚成为自

7、由电子，价电子脱离共价键的束缚成为自由电子，这一过程叫这一过程叫本本征激发征激发。自由电子自由电子是带负电是带负电荷量的粒子，它是本征半导体中的一种载荷量的粒子，它是本征半导体中的一种载流子。流子。 价电子脱离共价键的束缚成为自由电子价电子脱离共价键的束缚成为自由电子后，在原来的共价健中便留下一个空位，后，在原来的共价健中便留下一个空位，这个空位叫空穴。这个空位叫空穴。空穴空穴被看作带正电荷的被看作带正电荷的带电粒子，称它为空穴载流子。带电粒子，称它为空穴载流子。下一页上一页返回量量 空穴空穴被被称为载流子称为载流子是因为是因为空穴很容易被邻近空穴很容易被邻近共价键中跳过来的价电子填补上，于是

8、在邻近共共价键中跳过来的价电子填补上，于是在邻近共价键中又出现新的空穴，这个空穴再被别处共价价键中又出现新的空穴，这个空穴再被别处共价键中的价电子来填补；这样，在半导体中出现了键中的价电子来填补；这样，在半导体中出现了价电子填补空穴的运动。这种价电子的填补运动价电子填补空穴的运动。这种价电子的填补运动是由于空穴的产生引起的，不同于自由电子在晶是由于空穴的产生引起的，不同于自由电子在晶体中的自由运动。同时，价电子填补空穴的运动体中的自由运动。同时，价电子填补空穴的运动无论在形式上还是在效果上都相当于空穴在与价无论在形式上还是在效果上都相当于空穴在与价电子运动相反的方向上运动。为了区分电子的这电子

9、运动相反的方向上运动。为了区分电子的这两种不同的运动，把后一种运动叫做两种不同的运动，把后一种运动叫做空穴运动空穴运动。下一页上一页返回 综上所述，本征半导体中存在两种载流子：综上所述，本征半导体中存在两种载流子：带负电荷的自由电子带负电荷的自由电子和和带正电荷的空穴带正电荷的空穴。它们是。它们是成对出现的，也叫成对出现的，也叫电子空穴对电子空穴对。由于两者电荷量。由于两者电荷量相等，极性相反，所以本征半导体是电中性的。相等，极性相反，所以本征半导体是电中性的。本征半导体在外界的作用下，自由电子形成电子本征半导体在外界的作用下，自由电子形成电子电流，空穴形成空穴电流电流，空穴形成空穴电流,虽然

10、两种载流子的运虽然两种载流子的运动方向相反，但因为它们所带的电荷极性也相反，动方向相反，但因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的，它们的和就所以两种电流的实际方向是相同的，它们的和就是半导体中的电流。是半导体中的电流。下一页上一页返回在本征半导体中掺入五价元素在本征半导体中掺入五价元素(如磷、砷如磷、砷)使使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成位置，可以形成N型半导体型半导体。掺入的元素原子有。掺入的元素原子有5个价电子，其中个价电子，其中4个与硅原子结合成共价键，个与硅原子结合成共价键，余下的一个不在共价键之内，

11、掺入的五价元素余下的一个不在共价键之内，掺入的五价元素原子对它的束缚力很小。因此只需较小的能量原子对它的束缚力很小。因此只需较小的能量便可激发而成为便可激发而成为自由电子自由电子。下一页上一页返回2. 杂质半导体的导电特性杂质半导体的导电特性1 1、N N型半导体（型半导体（图图5-25-2）图图5-2 N型半导体型半导体 返回多余电子多余电子SiPSiSiN N型半导体型半导体+上一页 下一页 在上述情况下，半导体中除了大量的在上述情况下，半导体中除了大量的由掺入的五价元素原子提供的自由电子外，由掺入的五价元素原子提供的自由电子外，还存在由本征激发产生的电子空穴对，它还存在由本征激发产生的电

12、子空穴对，它们们数量很数量很少。这种杂质半导体以自由电子少。这种杂质半导体以自由电子导电为主，因而称为导电为主，因而称为N型半导体型半导体。在。在N型半型半导体中，由于自由电子是多数，故导体中，由于自由电子是多数，故N型半型半导体中的导体中的自由电子称为多数载流子自由电子称为多数载流子(简称多简称多子子)，而，而空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子(简称少子简称少子)。下一页上一页返回2、P型半导体型半导体（图图5-3）当本征半导体中掺入正三价杂质元素（如当本征半导体中掺入正三价杂质元素（如硼、镓）时，三价元素原子为形成四对共价键硼、镓）时，三价元素原子为形成四对共价键使结构稳定，常吸引附近半

13、导体原子的价电子，使结构稳定，常吸引附近半导体原子的价电子，从而产生一个空穴和一个负离子，故这种杂质从而产生一个空穴和一个负离子，故这种杂质半导体的半导体的多数载流子是空穴多数载流子是空穴，因为空穴带正电，因为空穴带正电，所以称为所以称为P型半导体型半导体。除了多数载流子空穴外，。除了多数载流子空穴外，还存在由本征激发产生的电子空穴对，可形成还存在由本征激发产生的电子空穴对，可形成少数载流子自由电子少数载流子自由电子。下一页上一页返回图图5-3 P型半导体型半导体 返回P P型半导体型半导体SiSiSiB硅原子硅原子上一页 下一页 P型半导体和型半导体和N型半导体均属非本征半型半导体均属非本征

14、半导体。其中导体。其中多数载流子的浓度多数载流子的浓度取决于掺入的取决于掺入的杂质元素原子的密度；杂质元素原子的密度；少数载流子的浓度少数载流子的浓度主主要取决于温度；而所产生的要取决于温度；而所产生的正、负正、负离子，不离子，不能在外电场作用下作漂移运动，不参与导电，能在外电场作用下作漂移运动，不参与导电，不属于载流子。不属于载流子。下一页上一页返回如果将一块半导体的一侧掺杂成为如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半型半导体，而另一侧掺杂成为导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二型半导体，则在二者的交界处将形成一个者的交界处将形成一个PN结结。下一页上一页返回5.1.3 PN结结1、PN结的

15、形成结的形成在在P型和型和N型半导体的交界面两侧，由于自由型半导体的交界面两侧，由于自由电子和空穴的电子和空穴的浓度相差悬殊浓度相差悬殊，所以，所以N区中的多数区中的多数载流子自由电子要向载流子自由电子要向P区区扩散扩散，同时，同时P区中的多数区中的多数载流空穴也要向载流空穴也要向N区扩散，并且当电子和空穴相区扩散，并且当电子和空穴相遇时，将发生遇时，将发生复合而消失复合而消失。如。如图图5-4所示。于是，所示。于是，在交界面两侧将分别形成不能移动的正、负离子在交界面两侧将分别形成不能移动的正、负离子区，正、负离子处于晶格位置而不能移动，所以区，正、负离子处于晶格位置而不能移动，所以称为称为空

16、间电荷区空间电荷区(亦称为内电场亦称为内电场)。下一页上一页返回图图5-4 PN结的形成结的形成 返回内电场E+P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层上一页 下一页 由于空间电荷区内的载流子数量极少，由于空间电荷区内的载流子数量极少，近似分析时可忽略不计，所以也称其为近似分析时可忽略不计，所以也称其为耗耗尽层尽层。空间电荷区一侧带正电，另一侧带。空间电荷区一侧带正电，另一侧带负电，所以形成了内电场，其方向由负电，所以形成了内电场，其方向由N区区指向指向P区。在内电场的作用下，区。在内电场的作用下，P区和区

17、和N区区中的少子会向对方漂移，同时内电场将阻中的少子会向对方漂移，同时内电场将阻止多子向对方扩散，当扩散运动的多子数止多子向对方扩散，当扩散运动的多子数量与漂移运动的少子数量相等，两种运动量与漂移运动的少子数量相等，两种运动达到达到动态平衡动态平衡的时候，空间电荷区的宽度的时候，空间电荷区的宽度一定，一定，PN结就形成了。结就形成了。 下一页上一页返回动画动画 PN结的形成结的形成2、PN结的单向导电性结的单向导电性 在在PN结的两端引出电极，结的两端引出电极，P区的一端称为区的一端称为阳极阳极，N区的一端称为区的一端称为阴极阴极。在。在PN结的两端外加结的两端外加不同极性的电压时，不同极性的

18、电压时，PN结表现出截然不同的导电结表现出截然不同的导电性能，称为性能，称为PN结的结的单向导电性单向导电性。上一页返回下一页+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E返回上一页 下一页(1)(1)在外加正向电压时在外加正向电压时PNPN结处于导通状态结处于导通状态+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN返回上一页(2)(2)在外加反向电压时在外加反向电压时PNPN结处于截止状态结处于截止状态动画动画 PNPN结的单向导电性结的单向导电性 在一个在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳结的两端加上电极引线并用外壳封装起来，就构成了封装起来，就构成了半导体二极管半导体二极管。由

19、。由P型半导型半导体引出的电极，叫做体引出的电极，叫做正极正极(或阳极或阳极)，由，由N型半导型半导体引出的电极，叫做体引出的电极，叫做负极负极(或阴极或阴极)。通常用所示。通常用所示的符号表示。的符号表示。 下一页 返回NP阳极阳极+阴极阴极-5.2 半导体二极管半导体二极管5.2.1 二极管的基本结构二极管的基本结构 按照结构工艺的不同、二极管有按照结构工艺的不同、二极管有点接触型点接触型和和面接触型面接触型两类。它们的管芯结构如两类。它们的管芯结构如图图5-7所示。所示。图图5-7 二极管的结构二极管的结构 返回(a)(a)点接触型点接触型 (b)(b)面接触型面接触型 N型锗正极引线负

20、极引线外壳金属触丝负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于高频电路和开关电路。用于高频电路和开关电路。 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电于工频大电流整流电路等低频电路中。路等低频电路中。上一页 下一页5.2.2 二极管的伏安特性及主要参数二极管的伏安特性及主要参数 下一页上一页返回UI导通压降导通压降: : 硅管硅管0.60.7V,锗管锗管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗锗管管0.2V。反向漏电流反向漏电流（很小，（很小， A级）级） 二极管既然是

21、一二极管既然是一个个PN结，它必然具有结，它必然具有单向导电性。其伏安特单向导电性。其伏安特性曲线如图所示。所谓性曲线如图所示。所谓伏安特性伏安特性，就是指加到，就是指加到二极管两端的电压与流二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系过二极管的电流的关系曲线。二极管的伏安特曲线。二极管的伏安特性曲线可分为性曲线可分为正向特性正向特性和和反向特性反向特性两部分。两部分。 1、正向特性、正向特性 当二极管加上很低的正向电压时，外电当二极管加上很低的正向电压时，外电场还不能克服场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，故正向电流很小，二极管呈动所形成的阻力，故

22、正向电流很小，二极管呈现很大的电阻。当正向电压超过一定数值即现很大的电阻。当正向电压超过一定数值即死死区电压区电压后，内电场被大大削弱，电流增长很快，后，内电场被大大削弱，电流增长很快，二极管电阻变得很小。死区电压又称阀值电压，二极管电阻变得很小。死区电压又称阀值电压，硅管约为硅管约为0.60.7V。锗管约为。锗管约为0.20.3V。二极。二极管正向导通时，硅管的管正向导通时，硅管的压降压降一般为一般为0.60.7V，锗管则为锗管则为0.20.3V。下一页上一页返回2、反向特性、反向特性 二极管加上反向电压时，由于少数载流子二极管加上反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，因而形成很小的的漂移运

23、动，因而形成很小的反向电流反向电流。反向。反向电流有两个特性，一是它随温度的上升增长很电流有两个特性，一是它随温度的上升增长很快；二是在反向电压不超过某一数值时，反向快；二是在反向电压不超过某一数值时，反向电流不随反向电压改变而改变，故这个电流称电流不随反向电压改变而改变，故这个电流称为反向饱和电流。为反向饱和电流。 下一页上一页返回 当外加反向电压过高时，反向电流将突当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为为反向击穿反向击穿。 二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能。产生击穿时加在

24、二极管上的反向电压称为能。产生击穿时加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压反向击穿电压U(BR)。 下一页上一页返回2. 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 IF 最大整流电流最大整流电流是指二极管长时间使用时，是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。当电流允许流过二极管的最大正向平均电流。当电流超过这个允许值时，二极管会因过热而烧坏，超过这个允许值时，二极管会因过热而烧坏，使用时务必注意。使用时务必注意。 下一页上一页返回 （2）反向击穿电压）反向击穿电压URM 它是保证二极管不被击穿而得出的反向峰它是保证二极管不被击穿而得出的反向峰值电压，

25、一般是反向击穿电压的一半或三分之值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。二。 （3）反向峰值电流）反向峰值电流IRM 它是指在二极管上加反向峰值电压时的反向它是指在二极管上加反向峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明单向导电性能差，电流值。反向电流大，说明单向导电性能差，并且受温度的影响大。并且受温度的影响大。 （4）最大反向工作电压）最大反向工作电压UR 是二极管运行时允许承受的最大反向电压是二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为（约为UBR的一半）的一半）。上一页返回3. 二极管的等效模型二极管的等效模型 下一页上一页返回（a）表示理想二极管）表示理想二极管 ；（；（b）表示二极管

26、的恒）表示二极管的恒压降模型。压降模型。 （c）表示二极管的折线模型。）表示二极管的折线模型。 5.2.3 二极管的检测二极管的检测 1、二极管的极性判别、二极管的极性判别 有的二极管从外壳的形状上可以区分电有的二极管从外壳的形状上可以区分电极；有的二极管的极性用二极管符号印在外壳极；有的二极管的极性用二极管符号印在外壳上，箭头指向的一端为负极；还有的二极管用上，箭头指向的一端为负极；还有的二极管用色环色环或或色点色点来标志来标志(靠近色环的一端是负极，靠近色环的一端是负极，有色点的一端是正极有色点的一端是正极)。若标志脱落，可用万。若标志脱落，可用万用表测其正反向电阻值来确定二极管的电极。用

27、表测其正反向电阻值来确定二极管的电极。 下一页上一页返回 测量时把万用表置于测量时把万用表置于100挡或挡或1K档，不档，不可用可用1挡或挡或10K档，前者电流太大，后者电压档，前者电流太大，后者电压太高，有可能对二极管造成不利的影响。用万用表太高，有可能对二极管造成不利的影响。用万用表的黑表笔和红表笔分别与二极管两极相连。对于指的黑表笔和红表笔分别与二极管两极相连。对于指针式万用表，当测得针式万用表，当测得电阻较小电阻较小时，与黑表笔相接的时，与黑表笔相接的极为二极管正极；测得电阻很大时，与红表笔相接极为二极管正极；测得电阻很大时，与红表笔相接的极为二极管正极。对于数字万用表，由于表内电的极

28、为二极管正极。对于数字万用表，由于表内电池极性相反，数字表的红表笔为表内电池正极，实池极性相反，数字表的红表笔为表内电池正极，实际测量中必须要注意。对于数字万用表，还可以用际测量中必须要注意。对于数字万用表，还可以用专门的二极管档来测量，当二极管被正向偏置时，专门的二极管档来测量，当二极管被正向偏置时，显示屏上将显示二极管的正向导通压降，单位是毫显示屏上将显示二极管的正向导通压降，单位是毫伏。伏。下一页上一页返回 2、性能测试、性能测试 二极管正、反向电阻的测量值相差二极管正、反向电阻的测量值相差愈大愈好愈大愈好，一般二极管的正向电阻测量值为几百欧姆，反向一般二极管的正向电阻测量值为几百欧姆，

29、反向电阻为几十千欧姆到几百千欧姆。如果测得正、电阻为几十千欧姆到几百千欧姆。如果测得正、反向电阻均为无穷大，说明内部断路；若测量值反向电阻均为无穷大，说明内部断路；若测量值均为零，则说明内部短路；如测得正、反向电阻均为零，则说明内部短路；如测得正、反向电阻几乎一样大，这样的二极管已经失去单向导电性，几乎一样大，这样的二极管已经失去单向导电性，没有使用价值了。没有使用价值了。下一页上一页返回 例例1如图所示电路，设二极管的正向导通压降忽略不如图所示电路，设二极管的正向导通压降忽略不计，反向饱和电流为计，反向饱和电流为0.1mA，反向击穿电压为，反向击穿电压为25V，且击，且击穿后电压基本不随电流

30、而变化，求各电路中的电流穿后电压基本不随电流而变化，求各电路中的电流I 。下一页上一页返回D正向导通正向导通 mA5315I D2反向截止反向截止 mA1 . 0I D2反向击穿反向击穿 mA.67132530I D1正向导通正向导通 D2反向截止反向截止 mA5315I 1、稳压管、稳压管 稳压管是一种特殊的硅二极管，由于它在稳压管是一种特殊的硅二极管，由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。作用，故称为稳压管。下一页 返回5.2.4 几种常用的特殊二极管几种常用的特殊二极管 稳压管正常工作于稳压管正常工作于反向击穿区反

31、向击穿区，且在外，且在外加反向电压撤除后，稳压管又恢复正常。加反向电压撤除后，稳压管又恢复正常。 稳压管的主要参数有：稳压管的主要参数有： (1)稳定电压稳定电压UZ。 (2)稳定电流稳定电流IZ。 (3)动态电阻动态电阻rZ。 (4)最大允许耗散功率最大允许耗散功率PZM。 下一页上一页返回ZZZIUrZMZZMPU I2、发光二极管、发光二极管 发光二极管简写为发光二极管简写为LED，其工作原理与光电，其工作原理与光电二极管相反。由于它采用砷化镓、磷化镓等半导二极管相反。由于它采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制成，所以在通过正向电流时，由于电子体材料制成，所以在通过正向电流时，由于电子与空穴

32、的与空穴的直接复合而发出光直接复合而发出光来。来。如图所示如图所示为发光为发光二极管的图形符号及其正向导通发光时的工作电二极管的图形符号及其正向导通发光时的工作电路。路。 上一页返回下一页发光二极管的符号及其工作电路发光二极管的符号及其工作电路返回(a)(a)符号；符号；(b)(b)工作电路工作电路 上一页3、光电二极管、光电二极管 光电二极管也是一种特殊二极管。在电路光电二极管也是一种特殊二极管。在电路中它一般处于反向工作状态，当没有光照射时，中它一般处于反向工作状态，当没有光照射时，其反向电阻很大，其反向电阻很大，PN结流过的反向电流很小；结流过的反向电流很小；当光线照射在当光线照射在PN

33、结上时就在结上时就在PN结及其附近产生结及其附近产生电子空穴对，电子和空穴在电子空穴对，电子和空穴在PN结的内电场作用结的内电场作用下作定向运动，形成光电流。下作定向运动，形成光电流。下一页上一页返回光电二极管可用来作为光控元件。光电二极管可用来作为光控元件。光电二极管及符号光电二极管及符号 返回上一页 下一页下一页 返回5.2.5 二极管的应用二极管的应用 1、 钳位钳位 利用二极管的单向导电性在电路中可以起到钳利用二极管的单向导电性在电路中可以起到钳位的作用。位的作用。 在图示的电路中，已知输入端在图示的电路中，已知输入端A的电位为的电位为UA =3V，B的的电位电位UB =0V ，电阻，

34、电阻R接接-12V电源，求输出端电源，求输出端F的电位的电位UF。因为因为UAUB,所以二极管所以二极管D1优先导通，优先导通，设二极管为理想元件，则输出端设二极管为理想元件，则输出端F的的电位为电位为3V。当。当D1导通后，导通后，D2上加的上加的是反向电压，是反向电压，D2截止。截止。下一页 返回2、光电转换电路、光电转换电路 光电二极管的主要用途是作光电变换元件光电二极管的主要用途是作光电变换元件. 两种基本的光电变换电路两种基本的光电变换电路3、限幅应用、限幅应用 利用二极管的单向导电性，将输入电压限定利用二极管的单向导电性，将输入电压限定在要求的范围之内，叫做在要求的范围之内，叫做限

35、幅限幅。 例例1 在图示的电路中，已知输入电压在图示的电路中，已知输入电压ui=10 sint V，电源电动势，电源电动势E5V，二极管为理想元件，二极管为理想元件，试画出输出电压试画出输出电压uo的波形。的波形。 下一页上一页返回+-+EIuRiuO解：解： 根据二极管的单向导电特性根据二极管的单向导电特性可知，当可知，当ui 5V时，二极管时，二极管D截截止，相当于开路，因电阻止，相当于开路，因电阻R中无中无电流流过，故输出电压与输入电流流过，故输出电压与输入电压相等，即电压相等，即uo=ui；当当ui 5V时，二极管时，二极管D导通，相当于短路，导通，相当于短路，故输出电压等于电源电动势

36、，故输出电压等于电源电动势，即即uo=E=5V 。所以，在输出电。所以，在输出电压的波形中，压的波形中，5V以上的波形均以上的波形均被削去，输出电压被限制在被削去，输出电压被限制在5V以内。以内。下一页上一页返回+-+EIuRiuO 例例2 如图所示的各限幅电路中，设二极管为理想二极如图所示的各限幅电路中，设二极管为理想二极管，管，Ui为正弦信号，为正弦信号，UREF为限幅电平，对应为限幅电平，对应Ui的波形，请的波形，请画出各输出电压画出各输出电压UO的波形。的波形。 下一页上一页返回动画动画 PN结的形成结的形成 返回动画动画 PN结的单向导电性结的单向导电性返回5.3.1 三极管的基本结

37、构、类型和符号三极管的基本结构、类型和符号 下一页 返回5.3 半导体三极管半导体三极管半导体三极管是由两个背靠背的半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为导电，故又称为，简称晶体管或三，简称晶体管或三极管。极管。 两个两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是区域的排列，可以是N-P-N，也可以是，也可以是P-N-P。因。因此，三极管有两种类型：此，三极管有两种类型：和和。返回几种常见三极管的外形图几种常见三极管的外形图上一页 下一

38、页集电结 B发射结NPN集电区基区发射区CCEEB集电结 B发射结PNPCCEEB集电区基区发射区NPN型PNP型箭头方向表示发射结加正箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向向电压时的电流方向5.3.2 电流分配和电流放大作用电流分配和电流放大作用1三极管的组态三极管的组态2产生放大作用的条件产生放大作用的条件 内部：内部：a）发射区杂质浓度）发射区杂质浓度基区基区集电区集电区 b）基区很薄）基区很薄 外部：发射结正偏，集电结反偏外部：发射结正偏，集电结反偏NPNICIEIBRBUBBUCCRCa）发射区向基区注入电子）发射区向基区注入电子，形成发射极电流，形成发射极电流 iEb）电子在基区

39、中的扩散与）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流复合，形成基极电流 iBc）集电区收集扩散过来的）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流电子，形成集电极电流 iC（3）电流分配关系：）电流分配关系： iE = iC + iB 3内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 NPNICIEIBRBUBBUCCRC3. 电流分配关系电流分配关系CBEIIIBCII BCII输入特性曲线输入特性曲线输入特性曲线表示当输输入特性曲线表示当输出电压出电压UCE为某一固定为某一固定值时，输入电流值时，输入电流IB与输与输入电压入电压UBE之间的关系之间的关系曲线。曲线。5.3.3 三极管的特性曲线及主要参

40、数三极管的特性曲线及主要参数 常数CEUBEBUfI| )(输出特性曲线输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置BECEBEBuuui, 0, 0BCii0, 0CBiiBCii（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置 （3）饱和区：发射结正向偏置，）饱和区：发射结正向偏置， 集电结正向偏置集电结正向偏置 此时此时 常数BICECUfI| )(3. 三极管的主要参数三极管的主要参数1、电流放大系数、电流放大系数：iC= iB2、极间反向电流、极间反向电流ICBO、ICEO：ICEO=（1+ ）I

41、CBO3、集电极最大允许电流、集电极最大允许电流 ICM： 下降到额定值下降到额定值的的2/3时时所允许的最大集电极电流。所允许的最大集电极电流。4、反向击穿电压、反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。发射极间的最大允许电压。5、集电极最大允许功耗、集电极最大允许功耗PCM 。 4. 温度对三极管参数的影响温度对三极管参数的影响 （1）对）对 的影响的影响 随温度升高而增大。随温度升高而增大。（2）对）对ICBO、ICEO的影响的影响ICBO、ICEO受温度的影响很大，温度升高，其值随之受温度的影响很大，温度升高，其值随之增大。增大。（

42、3）对发射结电压）对发射结电压UBE的影响的影响和二极管的正向特性一样，温度上升，和二极管的正向特性一样，温度上升，UBE的数值将的数值将下降下降 5.2.4 三极管的检测三极管的检测 1、判别基极和管子型号、判别基极和管子型号将万用表置将万用表置R100或或R1K挡，用黑表笔接三极挡，用黑表笔接三极管的某一管脚，红表笔分别接三极管的另外两个管脚，管的某一管脚，红表笔分别接三极管的另外两个管脚，直到出现测得的两个阻值都很小，黑表笔所接的管脚直到出现测得的两个阻值都很小，黑表笔所接的管脚就是就是NPN管的基极；若没有出现上述情况，则应该将管的基极；若没有出现上述情况，则应该将红表笔接三极管的某一

43、脚，黑表笔分别接三极管的另红表笔接三极管的某一脚，黑表笔分别接三极管的另外两个管脚，直到出现测得的两个阻值都很小，红表外两个管脚，直到出现测得的两个阻值都很小，红表笔所接的管脚都是笔所接的管脚都是PNP管的基极。管的基极。 下一页上一页返回2、判别集电极和发射极、判别集电极和发射极 3判别锗管和硅管判别锗管和硅管4估测直流电流放大倍数估测直流电流放大倍数下一页上一页返回例例1 判断下列管子的类型与状态判断下列管子的类型与状态 NPN硅管硅管 饱和状态饱和状态 PNP锗管锗管 放大状态放大状态 NPN型型PNP型型 截止状态截止状态 截止状态截止状态 不能判断不能判断管子类型。管子类型。下一页上

44、一页返回例例2 判断下列管子的类型、材料和电极判断下列管子的类型、材料和电极 （a）PNP型硅管，型硅管，脚为集电极，脚为集电极，脚为基极，脚为基极，脚为发射极；脚为发射极；（b）NPN型硅管，型硅管，脚为发射极，脚为发射极，脚为基极，脚为基极，脚为集电极；脚为集电极；（c）PNP型锗管，型锗管，脚为集电极，脚为集电极，脚为发射极，脚为发射极，脚为基极。脚为基极。 1、场效应管的特点、场效应管的特点 （1）场效应管是一种电压控制型器件；）场效应管是一种电压控制型器件；（2）场效应管的输入电阻极高；）场效应管的输入电阻极高；（3）场效应管的热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、）场效应管的热稳定性好

45、、噪声低、抗辐射能力强、制造工艺简单，便于集成；制造工艺简单，便于集成；（4）场效应管的功耗小。）场效应管的功耗小。下一页 返回5.4.1 场效应管的特点及分类场效应管的特点及分类 5.4 场效应管场效应管2、场效应管的分类、场效应管的分类 根据结构的不同，场效应管分为两大类：根据结构的不同，场效应管分为两大类：结型场效应管和绝缘栅型场效应管；按所用衬结型场效应管和绝缘栅型场效应管；按所用衬底的不同，每类又有底的不同，每类又有N沟道和沟道和P沟道两种类型；沟道两种类型；绝缘栅型场效应管按其工作状态还可分为耗尽绝缘栅型场效应管按其工作状态还可分为耗尽型和增强型两类。型和增强型两类。 下一页 返回

46、1、结型场效应管的结构和符号、结型场效应管的结构和符号 下一页 返回5.4.2 结型场效应管结型场效应管 动画动画 结型场效应管的结构结型场效应管的结构动画 结型场效应管的结构返回2、结型场效应管的工作原理、结型场效应管的工作原理 N沟道和沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已同而已(如同三极管的如同三极管的NPN和和PNP)。下面以。下面以N沟道沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。结型场效应管为例来分析其工作原理。 动画动画 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理下一页

47、上一页返回动画 结型场效应管工作原理返回结型场效应管的漏极电流结型场效应管的漏极电流iD受受UGS和和UDS的的双重控制。这种电压的控制作用，是场效应管双重控制。这种电压的控制作用，是场效应管具有放大作用的基础。在具有放大作用的基础。在D、S极间加上电压极间加上电压UDS，则源极和漏极之间形成电流，则源极和漏极之间形成电流iD，通过改，通过改变栅极和源极的反向电压变栅极和源极的反向电压UGS，就可以改变两，就可以改变两个个PN结阻挡层结阻挡层(耗尽层耗尽层)的宽度，这样就改变了的宽度，这样就改变了沟道电阻，因此就改变了漏极电流沟道电阻，因此就改变了漏极电流iD。 下一页上一页返回3、结型场效应

48、管的特性曲线、结型场效应管的特性曲线(1) 转移特性曲线转移特性曲线 下一页上一页返回常数DSGSDuufi)(返回上一页 下一页(2) 输出特性曲线。输出特性曲线。 与三极管类似，输出特与三极管类似，输出特性曲线也为一簇曲线，如图性曲线也为一簇曲线，如图所示。所示。 可变电阻区可变电阻区( (相当于三极相当于三极管的饱和区管的饱和区) ) 恒流区恒流区( (也称饱和区也称饱和区)()(相相当于三极管的放大区当于三极管的放大区) ) 击穿区击穿区 截止区截止区( (相当于三极管的相当于三极管的截止区截止区) ) 常数GSUDSDUfI| )(1. N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构。管的结构

49、。 N沟道增强型沟道增强型MOS管管是是在一在一块低掺杂的块低掺杂的P型硅片上生成一层型硅片上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的艺扩散两个高掺杂的N型区，并引型区，并引出两个电极，分别是出两个电极，分别是漏极漏极D和和源极源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为镀一层金属铝作为栅极栅极G。P型硅型硅片称为片称为衬底衬底，用字母，用字母B表示。表示。 下一页上一页返回-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底动画动画 绝缘栅场效应管结构绝缘栅场效应管结构5.4.3 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 动画 N沟通增强

50、型MOSFET结构 返回上一页返回下一页 2. 工作原理工作原理 栅源电压栅源电压u uGSGS的控制作用的控制作用-s二氧化硅P衬衬底底gDSu+Nd+bNuGSiD上一页返回漏源电压漏源电压uDS对漏极对漏极电流电流id的控制作用的控制作用下一页动画动画 绝缘栅场效应绝缘栅场效应管工作原理管工作原理-二氧化硅NisDNub+DSduP P衬底衬底GSg动画 N沟通增强型MOSFET工作原理返回上一页返回3、特性曲线、特性曲线 上一页返回4、主要参数、主要参数 （1）夹断电压夹断电压UGS(off) （2）开启电压开启电压UGS(th)（3）漏极饱和电流漏极饱和电流IDSS（4）直流输入电阻