1、电子技术基础电子技术基础2022/6/2611.1 PN结1.2 半导体二极管1.3 双极型三极管1.4 场效应晶体管第一章 半导体器件基础 2022/6/262 半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。1.1 PN结2022/6/263 1.1.1 本征半导体的导电特征半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体：纯净的半导体。如硅、锗单晶体。热激发：热激发产生自由电子和空穴对。载流子：自由运动的带电粒子。共价键：相邻原子共有价电子所形成的束缚。2022/6/264 本征半导体的电子空穴对2
2、022/6/265【结论】纯净半导体也称为本征半导体 1本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3本征半导体导电能力弱，并与温度有关。2022/6/2661.1.2 杂质半导体的导电特性 杂质半导体（N型半导体、P型半导体）在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强 1N型半导体：在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，靠自由电子导电。 N 型半导体2022/6/267 2P型半导体：在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，靠空穴运动P 型半导体2022/6/268 【结论】掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多，导电能力越强
3、。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。 无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。2022/6/2691.1.3 PN结及其单向导电性 1PN结的形成：将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。PN 结的形成与单相导电性2022/6/26102PN结的单向导电性外加正向电压（也叫正向偏置）：外加电场与内电场方向相反扩散运动加强，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。外加反向电压（也叫反向偏置）外加电场与内电场方向相同，漂移运动产很小反向电流，这时称PN结处于截止状态。【PN结的单向导电性
4、】 正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。2022/6/26111.2 半导体二极管1.2.1 半导体二极管的结构和特性1二极管的结构构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管半导体二极管按材料不同分硅、和锗二极管半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。二极管的电路符号2022/6/2612 2半导体二极管的伏安特性（1）正向特性 外加正向电压较小时， PN结仍处于截止状态 。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。导通电压 UD(on) (0.6 0.8) V硅管 0.7 V (
5、0.1 0.3) V锗管 0.2 V2022/6/2613（2）反向特性外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流很小。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。（3）反向击穿类型：电击穿 PN 结未损坏，断电即恢复。热击穿 PN 结烧毁。二极管伏安特性曲线2022/6/26141.2.2 半导体二极管的主要参数(超过时单向导电 性变差)（1）IOM最大整流电流(最大正向平均电流)（2）UB反向击穿电压指管子反向击穿时的电压值。（3）UDRM最大反向工作电压（约为UB 的一半）。（4）IRM最大反向电流(越小单向导电性越好)（5）fM最高工作频率（超过时单向导电性变差） 2022/6/2
6、615【影响工作频率的原因 】主要取决于PN结结电容的大小 (1)低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小；高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。 (2) 结面积小时结电容小，工作频率高。【二极管的理想模型】正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。二极管理想模型的伏安特性2022/6/2616【二极管的恒压降模型】正向导通时等效为恒压源，硅材料为0.7V电压，锗材料为0.2V电压；反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。二极管的恒压降模型2022/6/2617 【结论】VDD （二极管两端的电压）大，
7、采用理想模型；VDD小，采用恒压降模型2022/6/26181.2.3 二极管的应用 利用二极管的单向导电性，可以组成整流、限幅、钳位，检波及续流等应用电路。1单相半波整流电路 将交流电变成脉动直流电的过程叫做整流。 在交流电压u2的负半周，二极管D上作用着反向电压，二极管不导通，电路中没有电流，负载RL上没有电压，交流电压u2的负半周全部作用在二极管上。2022/6/2619单向半波整流电路单向半波整流电路工作波形2单相全波整流电路 为了克服单相半波整流的不足，出现了单相全波整流电路，如图所示。在u2的正半周，D1导通，D2承受反向电压而截止；在u2的负半周，D2导通，Dl承受反向电压而截止
8、。 即一个周期内两个二极管轮流导通，从而正、负半周具有同一方向的电流流过负载RL，故叫全波整流电路，其电流、电压波形如图所示。2022/6/2621单向全波整流电路单向全波整流电路工作波形3半导体二极管限幅电路限制输出信号幅度的电路叫限幅电路。当输入信号幅度变化较大时，为了使信号幅度能够限制在一定范围内，可将输入信号接入限幅电路。限幅电路限幅电路波形2022/6/26234钳位电路将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负荷变动影响的电路叫钳位电路。 钳位电路2022/6/26245二极管检波电路检波就是将低频信号从已调制信号(高频信号)中取出的电路。检波电路及波形2022/6/2625 在
9、电视、广播及通讯中，为了使图像、声音能远距离传送，需要将这一低频电信号装载到高频信号(叫载波信号)上，以便从天线上发射出去。其中高频信号的振幅、频率或相位随低频信号变化，这个过程叫做调制。2022/6/2626 为防止含电感元件电路在换路时出现高电压，以免损坏元器件，可以采用二极管续流电路来实现。正常工作时，续流二极管不导通，当电感与电压断开瞬时，电感电流仍维持原大小并按原方向继续流动，此时续流二极管为电感提供了放电通路。放电时电感两端电压始终等于续流二极管的正向电压，避免了电感上出现高电压。6续流二极管电路 为防止电感元件换路出现过电压而并接一个二极管的电路称之为续流二极管电路。续流原理电路
10、2022/6/26271.2.4 特殊二极管1 稳压管稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。稳压二极管伏安特性稳压二极管符号2022/6/2628稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ：越大稳压效果越好，小于 Imin 时不稳压。（3）动态电阻rZ：rZ=UZ/IZ，越小稳压效果越好（4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM ： PZ=UZ*IZM2022/6/26292发光二极管当发光二极管的PN结加上正向电压时，导通并发光，常用于信号指示、数字和字符显示。发光二极管符号及应用电路20
11、22/6/26303光电二极管 光电二极管的又称为光敏二极管，反向偏置时光照通。光电二极管符号2022/6/26314变容二极管 对PN结，当外加反向电压增大时，耗尽层加宽，相当于平板电容两极板之间距离加大，电容减小。反之，反向电压减小时，耗尽层变窄，等效平板电容两极板之间距离变小，电容增加。变容二极管就是利用PN结这个特性制成的。其符号及特性如图所示。变容二极管容量很小，所以主要用于高频场合下。 2022/6/2632变容二极管符号及特性2022/6/26335光电耦合器件 将发光二极管和光电二极管组合起来可以构成二极管型光电耦合器件，如图所示。它以光为媒介实现电信号的传递。 光电耦合器件由
12、于发光器件和光电器件相互绝缘，分别处于输入和输出回路，所以可以实现两电路的电气隔离，并实现信号的单方向传递。光电耦合器件2022/6/26341.3 晶体管1.3.1 三极管的结构和分类 双极型晶体管：半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，简称晶体管或三极管。 2022/6/26352022/6/2636分类:按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、 PNP按使用频率分：低频管、高频管按功率分： 小功率管 1 W2022/6/26371.3.2 电流分配和电流放大原理 1产生放大作用的条件外部：发射结正偏，集电结反偏三极管放大电流的外部条件2
13、022/6/26382三极管内部载流子的传输过程（1）发射区向基区注入电子，形成发射极电流 iE（2）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流 iB（3）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流 iC3电流分配关系： iE = iC + iB 三极管的电流放大作用:基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用。2022/6/26391.3.3 三极管的特性曲线1输入特性曲线2022/6/26402输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）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，集电结正向偏置此时：20
14、22/6/2641三极管输出特性曲线2022/6/26421.3.4 三极管的主要参数1电流放大系数：iC= iB2极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO3极限参数 （1）集电极最大允许电流 ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。(超过时 值明显降低) （2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。 （3）集电极最大允许功耗PCM 。 2022/6/26431.3.5 温度对三极管参数的影响 由于半导体三极管具有两种载流子(空穴和电子)导电，温度对其特性十分敏感。一般要考虑对下面三个参数的影响。 1温度对ICBO影响温度升
15、高，ICBO增加。温度每升高10，ICBO增加一倍。 2温度对的影响温度升高,值增加。温度每升高1时,值增加051。 3温度对UBE的影响温度升高，UBE减小。温度每升高1摄氏度，UBE减小225 mV。2022/6/26441.4 场效应晶体管场效应管的特点：1是一种电压控制器件；2输入电阻极高；3是单极型器件；4受温度、外界辐射影响小。 场效应管的分类：按结构不同，场效应管分为两大类，六种管子：2022/6/26452022/6/26461.4.1 结型场效应管1结构及符号 结型场效应管分N沟道和P沟道两类，结构和电路符号如图所示。图(a)所示为N沟道结型场效应管，图(b)所示为P沟道结型
16、场效应管。 场效应管图形符号中箭头方向表示PN结正向偏置时栅极电流的方向。2022/6/26472工作原理 以N沟道结型场效应管为例分析。 N沟道场效应管常接成如图所示电路(共源极接法)。在放大工作状态时，D、S极间加正向电压VDD，G、S极间加反向电压VGG。由于栅极相对漏、源极是处于低电位，使N沟道两侧PN结承受反向偏置电压。所以改变加在PN结两端反向偏置电压，就可改变耗尽层的宽度，也就改变了中间导电沟道的宽度。这样利用电压的变化来控制导电沟道中多数载流子运动，也就控制了导电沟道中电流的大小。2022/6/2649【总结】当导电沟道没有预夹断时，D随UDS增大而增大；当沟道出现预夹断后，I
17、D不再受UDS影响而几乎保持不变，此时漏极电流由栅源电压控制。UGS愈负，耗尽层愈宽，导电沟道愈窄，沟道电阻愈大，在一定UDS作用下所产生漏极电流ID愈小，这样就实现了UGS对ID的控制。N沟道结型管工作原理图2022/6/26503特性曲线（1）输出特性场效应管输出特性是指：在栅源电压一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间的关系曲线，即ID=（UDS）GS常数2022/6/2651输出特性分为三个区可变电阻区、恒流区(放大区)和夹断区。N沟道结型管转移特性N沟道结型管输出特性2022/6/26521）可变电阻区：UDS较小时，靠近纵轴部分称为可变电阻区。它表示管子在预夹断前电压与电流关系。
18、该区域中ID几乎正比UDS，并且随UGS负值增加，输出特性曲线斜率减小，电阻增大。场效应管在这一区域工作时，可以看成一个由电压UGS控制的可变电阻。2）恒流区(放大区)：漏极特性曲线近似水平部分叫恒流区。它表示管子预夹断后电压与电流关系。漏极电流ID几乎不随UDS变化，输出特性曲线趋于水平。该区域中ID大小仅受UGS控制，UGS愈负，则ID愈小。场效应管在这一区域工作，可以看成一个受电压UGS控制的电流源。场效应管作为放大器件使用，是工作在这个区域，所以又叫做放大区。2022/6/26533）夹断区：当UGSUGS(off)时，所对应输出特性曲线靠近横轴部分叫夹断区。此时，N沟道完全被夹断，I
19、D=0，场效应管为截止状态。(2)转移特性 场效应管转移特性是指：在漏源电压UDS一定时，漏极电流ID与栅源电压UGS之间关系，即ID=（UGS）UDS=常数ID可以近似表示为 UGS(off)UGS02022/6/26541.4.2 绝缘栅型场效应管 1绝缘栅型场效应管的结构 无论是N沟道MOS管还是P沟道MOS管，都只有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。2022/6/2655【特点】(1)单极性器件(一种载流子导电)(2)输入电阻高 (107 1015 ，IGFET 可高达 1015 )(3)工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2022/6/26562绝缘栅型场效应管的工作原理与
20、特性曲线耗尽型耗尽型：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。增强型增强型：UGS=0时漏、源极之间不存在原始导电沟道，加电才能形成导电沟道。2022/6/2657（1）N沟道耗尽型场效应管的特性曲线耗尽型场效应管存在原始导电沟道2022/6/2658UGS=0时漏、源极之间就可以导电。这时在外加电压UDS作用下的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS。UGS0时沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小，ID增大。UGS0时会产生垂直于衬底表面的电场。UGS增加，负电荷数量增多，形成导电沟道，漏、源极之间有ID出现。在一定的漏、源电压UDS下，使管子由不导通转为导通的临界栅、源电压称为
21、开启电压UGS(th)。 （3）UGS UGS(th)时，随UGS的增加ID增大。2022/6/2661综上所述，场效应管的漏极电流ID受栅、源电压UGS的控制，即ID随UGS的变化而变化，所以场效应管是一种电压控制器件。场效应管栅、源电压UGS对漏极ID控制作用的大小用跨导gm表示。按场效应管的工作情况可将漏极特性曲线分为两个区域。在虚线左边的区域内称为可变电阻区，输出电阻ro较小，且可改变。在虚线右边的区域内称为放大区，输出电阻ro很大，在栅、源电压UGS增大时，漏极电流ID随UGS线性增大2022/6/26621.4.3 绝缘栅型场效应管的主要参数场效应管的主要参数除输入电阻RGS、漏极
22、饱和电流IDSS、夹断电压UGS(off)和开启电压UGS(th)外，还有以下重要参数：1跨导gm：反映了uGS 对 iD 的控制能力2022/6/26632通态电阻。在确定的栅、源电压UGS下，场效应管进入饱和导通时，漏极和源极之间的电阻称为通态电阻。通态电阻的大小决定了管子的开通损耗。3最大漏、源击穿电压UDS(BR)。指漏极与源极之间的反向击穿电压。4漏极最大耗散功率PDM：受温度限制。2022/6/2664【场效应管使用注意事项】1绝缘栅场效应管的输入电阻很高，栅极上很容易积累较高的静电电压将绝缘层击穿。为了避免这种损坏，在保存场效应管时应将它的3个电极短接起来；2在电路中，栅、源极间应有固定电阻或稳压管并联，以保证有一定的直流通道；3在焊接时应使电烙铁外壳良好接地。2022/6/2665 作业：1、4、8、13、17、182022/6/2666
