第1章半导体二极管三极管和场效应管课件.ppt

1、在热力学温度零度在热力学温度零度和没有外界激发时和没有外界激发时,本征半导体不导电。本征半导体不导电。把纯净的没有结把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶构缺陷的半导体单晶称为称为本征半导体。本征半导体。它是它是共价键结构共价键结构。本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子第第1章章 1.1+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴本征激发本征激发复合复合在常温下自由电子和空穴的形成在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对出现成对消失成对消失第第1章章 1.1+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴导电的空穴导电的实质

2、是共价实质是共价键中的束缚键中的束缚电子依次填电子依次填补空穴形成补空穴形成电流。故半电流。故半导体中有导体中有电电子子和和空穴空穴两两种种载流子载流子。空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 在外电场作用下，在外电场作用下，电子和空穴均能电子和空穴均能参与导电。参与导电。价电子填补空穴价电子填补空穴第第1章章 1.1+4+4+4+4+4+4+4+41.N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体在硅或锗的晶体中中 掺入少量的掺入少量的五价元五价元 素素,如磷如磷,则形成则形成N型半导型半导体。体。磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子自由电子自由电子正离子正离子第第1章章 1.1 N 型

3、半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子在在N型半导中型半导中,电子是多数载流子电子是多数载流子,空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。第第1章章 1.1+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴2.P型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元掺入少量的三价元 素素,如硼如硼,则形成则形成P 型型半导体。半导体。+4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子第第1章章 1.1 P 型半导体结构示意图型半导体结构示意图电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载流子第第1章章 1.1P 区区N 区区

4、用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成形成 P型半导体区域型半导体区域 和和 N型半导体区域型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。结。N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向第第1章章 1.2多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽

5、度基本上稳定下来。空间电荷区的宽度基本上稳定下来。第第1章章 1.2内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RP 区区N 区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷1.外加正向电压外加正向电压第第1章章 1.2内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP 区区N 区区空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形成较大的正向电流成较大的正向电流1.外加正向电压外加正向电压第第1章章 1.2P 区区N 区区内电场方向内电场方向

6、ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR2.外加反向电压外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过少数载流子越过PN结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行第第1章章 1.21、PN结加正向电压：结加正向电压：PN结所处的状态称为结所处的状态称为正向导正向导通通，其特点：，其特点：PN结正向电流大，结正向电流大，PN结电阻小。结电阻小。相当于开关闭合相当于开关闭合SPN结的单向导电性：结的单向导电性：2、PN结加反向电压：结加反向电压：PN结所处的

7、状态称为结所处的状态称为反向截反向截止止，其特点：，其特点：PN结反向电流小，结反向电流小，PN结电阻大。结电阻大。相当于开关打开相当于开关打开第第1章章 1.2PN结电容结电容势垒电容势垒电容 扩散电容扩散电容 1.势垒电容势垒电容 PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电来表示。势垒电容不是常数，与容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。和外加电压的大小有关。载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加

8、电压变化所形成的电容称为扩散电容，用变化所形成的电容称为扩散电容，用 Cd 与来示。与来示。PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。以忽略不计。2.扩散电容扩散电容 第第1章章 1.2 正极引线正极引线触丝触丝N型锗型锗支架支架外壳外壳负极引线负极引线点接触型二极管点接触型二极管二极管的符号二极管的符号正极正极负极负极 正极引线正极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型区型区负极引线负极引线 面接触型二极管面接触型二极管N型硅型硅PN结结PN结结第第1章章 1.3600400200 0.1 0.200.4 0.850100I/mAU/V正向

9、特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性反向特性反向特性死区电压死区电压I/mAU/V0.40.8 40 802460.10.2锗管的伏安特性锗管的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性0第第1章章 1.3死区电压死区电压+U IU=f（I）600400200 0.1 0.200.4 0.850100I/mAU/V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性反向特性反向特性死区电压死区电压第第1章章 1.3正向特性：正向特性：二极管加正向电压二极管加正向电压正极正极负极负极+反向特性：反向特性：二极管加反向电压二极管加反向电压正极正极负极负极+

10、对于理想二极管对于理想二极管锗锗 管管正向压降正向压降0.2-0.3V硅硅 管管正向压降正向压降0.5-0.7V 例例1：下图中，已知：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，为锗管，求输出端求输出端Y的电位并说明的电位并说明二极管的二极管的作用。作用。解：解：DA优先导通，则优先导通，则VY=30.3=2.7VDA导通后导通后,DB因反偏而截止因反偏而截止,起隔离作用起隔离作用,DA起钳位作用起钳位作用,将将Y端的电位钳制在端的电位钳制在+2.7V。DA 12VYABDBR 二极管的二极管的应用范围很广应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、它可用于整流、检波、限幅、元件保护以

11、及在数字电路中作为开关元件。元件保护以及在数字电路中作为开关元件。第第1章章 1.3+0.3VDE3VRuiuouRuD 例例2：下图是：下图是二极管二极管限幅电路，限幅电路，D为理想二极管，为理想二极管，ui=6 sin t V,E=3V,试画出试画出 uo波形波形。t t ui/V Vuo/V63300 2 2 6第第1章章 1.3uR？t 630 2 例例3：双向限幅电路双向限幅电路 t 033DE3VRDE3V第第1章章 1.3uiuouRuD ui/Vuo/V3IFUF0正向特性正向特性反向击穿区反向击穿区UZIminIZmaxDZ负极负极伏安特性伏安特性 稳压管是一种特殊的稳压管是

12、一种特殊的面接触型半导体二极管。面接触型半导体二极管。第第1章章 1.4工作在反向击穿区工作在反向击穿区0 稳压管的主要参数稳压管的主要参数1.稳定电压稳定电压UZ 2.最小稳定电流最小稳定电流 Imin 3.最大稳定电流最大稳定电流 IZmax4.动态电阻动态电阻 RZ IZ UZRZ=IZ UZ5.电压温度系数电压温度系数 VZT6.最大允许耗散功率最大允许耗散功率PM第第1章章 1.4IFUFIminIZmaxUZ工作在反向击穿区：工作在反向击穿区：电流变化大，电压几乎不变电流变化大，电压几乎不变第第1章章 1.4例题：例题：已知已知ui=10 sin t V,UZ=5.5V（稳压值稳压

13、值），），正正向压降为向压降为0.7V，试画出试画出 uo波形波形。DZUZRuiuouR t t ui/V Vuo/V105.55.500 2 2 0.70.7解：解：IU0UZIminIZmaxN型硅型硅二氧化硅保护膜二氧化硅保护膜BECN+P型硅型硅（a）平面型平面型N型锗型锗ECB铟铟球球铟铟球球PP+（b）合金型）合金型第第1章章 1.5集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区NN集电极集电极C基极基极B发射极发射极E 三极管的结构三极管的结构 分类和符号分类和符号PECB符号符号第第1章章 1.5集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区CBEN集电极

14、集电极C发射极发射极E基极基极BNPPN第第1章章 1.5ECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路三极管具有电流控三极管具有电流控制作用的外部条件制作用的外部条件:（1）发射结正向偏置）发射结正向偏置 （加正向电压）；（加正向电压）；（2）集电结反向偏置）集电结反向偏置（加反向电压）。（加反向电压）。第第1章章 1.5EBRBIB发射区向基区发射区向基区扩散电子扩散电子IEIB电子在基区电子在基区扩散与复合扩散与复合集电区收集电子集电区收集电子 电子流向电源正极形成电子流向电源正极形成 ICICNPN电源负极向发射电源负极向发射区补充电子形成区补充电子形成 发射

15、极电流发射极电流IE 三极管的电流控制原理三极管的电流控制原理电源正极拉走电电源正极拉走电子，补充被复子，补充被复合的空穴，形合的空穴，形成成 I IB B第第1章章 1.5VCCRCVBBRBCBE 由于基区很薄由于基区很薄,掺杂浓度又很小掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：远远大于复合的数量。所以：IC IB同样有同样有:IC IB所以说三极管具有电流控制作用所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。也称之为电流放大作用。第第1章章 1.5电流关系：电流关系：IE=IB+ICECRCIC UCECEBUBEEBRBIBIEIC=IB

16、=IC IBECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路三极管具有电流控三极管具有电流控 制作用的外部条件制作用的外部条件:（1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置。对于对于NPN型三极管应满足型三极管应满足:输出输出回路回路输入输入回路回路公公共共端端第第1章章 1.5EBRBIBIEUBE 0UBC VB VEECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路三极管具有电流控三极管具有电流控 制作用的外部条件制作用的外部条件:（1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置

17、。对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足:输出输出回路回路输入输入回路回路公公共共端端第第1章章 1.5EBRBIBIE即即 VC VB 0UBE VB VE且且IC=IB对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足:VC VB VE且且IC=IBRBEBECRCIC UCECEBIBUBE（一）（一）放大状态放大状态条条件件特特征征IE（二）（二）饱和状态饱和状态 集电结、发射结均反向偏置，即集电结、发射结均反向偏置，即UBE 0（1）IB增加时，增加时，IC基本不变，基本不变，且且IC UC/RC（2）UCE 0 晶体管晶体管C、E之间相当于短路之间相当于短路（三）（三）截止状态截止状态

18、即即UCE UBE（1）IB=0、IC 0（2）UCE EC晶体管晶体管C、E之间相当于开路之间相当于开路共发射极接法放大电共发射极接法放大电路路条条件件特特征征（1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结正向偏置。）集电结正向偏置。条件条件特特征征RBEBECRCIC UCECEBIBUBEIE1.电流放大系数电流放大系数 =IC IB 2.穿透电流穿透电流 ICEO 3.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 4.集集-射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 5.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM极限参数极限参数使用时使用时不允许超过不允许超过!第第

19、1章章 1.5 =IC IB60A0 20A1.52.3在输出特性上求在输出特性上求 ,=IC IB=1.5mA40A=37.5 =IC IB=2.31.5(mA)60 40(A)=40设设UCE=6V,IB由由40A加为加为60A。第第1章章 1.5IC /mAUCE /VIB=40A6 重点：重点：1、三极管的三种工作状态、三极管的三种工作状态2、电流关系：、电流关系：IE=IB+IC IC=IB 作业：作业：15、16、19 14（选做）（选做）注意：各点波形要对应画出，注意：各点波形要对应画出，否则按错误处理。否则按错误处理。0IB=0 A20A40 A60 A80 A由三极管的极限参

20、数确定安全工作区由三极管的极限参数确定安全工作区安安全全工工作作区区过过损损耗耗区区PCM曲线曲线第第1章章 1.5IC /mAUCE /VICEOICMU(BR)CEOSiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+DBSG符号符号1.结构和符号结构和符号第第1章章 1.6SiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底耗尽层耗尽层衬底引线衬底引线BN+N+SGDUDSID=0D与与S之间是两个之间是两个PN结反向串联，结反向串联，无论无论D与与S之间加之间加什么极性的电压，什么极性的电压，漏极电流均接近漏极电流均接近于零。于零。2.工作

21、原理工作原理第第1章章 1.6P型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层ID=0由柵极指向衬底方由柵极指向衬底方向的电场使空穴向向的电场使空穴向下移动下移动,电子向上移电子向上移 动动,在在P 型硅衬底的型硅衬底的 上表面形成耗尽层。上表面形成耗尽层。仍然没有漏极电流。仍然没有漏极电流。UGSN+N+第第1章章 1.6UDSP型硅衬底型硅衬底N+BSGD。UDS耗尽层耗尽层ID 栅极下栅极下P型半导型半导体表面形成体表面形成N型导电型导电沟道，当沟道，当D、S加上加上正向电压后可产生正向电压后可产生漏极电流漏极电流ID。N型导电沟道N+N+第第1章章 1.6UGS4321051015UGS=

22、5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS/V3.特性曲线特性曲线UGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS/V第第1章章 1.6ID/mA可变电阻区：可变电阻区：UGS不变，不变，ID与与UDS成正比，成正比，漏源之间相当于一个可变电阻。漏源之间相当于一个可变电阻。4321051015UGS=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS/V3.特性曲线特

23、性曲线UGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS/V第第1章章 1.6ID/mA饱和区：饱和区：UDS大于一定值，在大于一定值，在 UGS 一定，一定，ID几乎不变，几乎不变，ID 受受UGS的控制。的控制。4321051015UGS=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS/V3.特性曲线特性曲线UGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS/V第第1章章 1.6ID/mA截止区：截止区：UDS过大，过大，ID急剧增加。急剧增加。4321051015UGS

24、=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS/V3.特性曲线特性曲线UGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS/V第第1章章 1.6ID/mA转移特性：转移特性：ID=f（UGS）|UDS=常数常数结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底源极源极S漏极漏极D 栅极栅极G衬底引线衬底引线B耗尽层耗尽层1.结构特点和工作原理结构特点和工作原理N+N+正离子正离子N N型沟道型沟道SiO2DBSG符号符号制造时制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。在二氧化硅绝缘层中掺入

25、大量的正离子。第第1章章 1.6432104812UGS=1V2V3V输出特性输出特性转移特性转移特性耗尽型耗尽型NMOS管的特性曲线管的特性曲线 1230V1012123 UGS/V2.特性曲线特性曲线 ID UGSUGs(off)UDS/VUDS=10V第第1章章 1.6ID/mAID/mAN型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层PMOS管结构示意图管结构示意图P沟道沟道PMOS管与管与NMOS管管互为对偶关系，使用互为对偶关系，使用时时UGS、UDS的极性的极性也与也与NMOS管相反。管相反。P+P+第第1章章 1.6UGSUDSID开启电压开启电压UGS(th)为为负值，负值，UG

26、S UGS(th)时导通。时导通。SGDB符号符号 ID/mAUGS /V0UGS(th)转移特性转移特性DBSG符号符号 ID/mAUGS /V0UGS(off)转移特性转移特性夹断电压夹断电压UGS(off)为为正值，正值，UGS 0，UBC0，UCE0，则此管工作区为，则此管工作区为-（1）饱和区）饱和区（2）截止区）截止区（3）放大区）放大区答案答案（1）6.一个一个NPN管在电路中正常工作，现测得管在电路中正常工作，现测得UBE0，UBC0，则此管工作区为，则此管工作区为-（1）饱和区）饱和区（2）截止区）截止区（3）放大区）放大区答案答案（3）7.一个一个NPN管在电路中正常工作，

27、现测得管在电路中正常工作，现测得UBE0，UBC0，则此管工作区为，则此管工作区为-（1）饱和区）饱和区（2）截止区）截止区（3）放大区）放大区答案答案（2）8.稳压管工作在稳压管工作在-状态。状态。（1）正向导通）正向导通（2）反向截止）反向截止（3）反向击穿）反向击穿9.稳压管稳压电路如图所示，其中稳压管稳压电路如图所示，其中UZ1=7V，UZ2=3V，它们的正，它们的正向导通压降为向导通压降为0.7V，其输出电压为，其输出电压为-。DZ1UZ1RuiuoUZ2DZ2（1）0.7V（2）1.7V（3）3V（4）7.7V答案答案（3）答案答案（4）1、在图所示电路中，在图所示电路中，E=5V

28、、ui=10sin tV，D为理想二极管，试画为理想二极管，试画出输出出输出uO的波形。的波形。DERuiuo t t ui/V Vuo/V105500 2 2 10 二、计算下列各题二、计算下列各题 2、两个稳压管的稳压值分别为两个稳压管的稳压值分别为5.5V和和8.5V，正向压降均为，正向压降均为0.5V、若得到、若得到6V电压，试画出稳压电路。电压，试画出稳压电路。DZ15.5VRuiuoDZ2解：解：0.5V 3、两个稳压管的稳压值分别为两个稳压管的稳压值分别为5.5V和和8.5V，正向压降均为，正向压降均为0.6V、若得到、若得到14V电压，试画出稳压电路。电压，试画出稳压电路。DZ18.5VRuiuoDZ2解：解：5.5V