第1讲,第15章 半导体器件,15.1半导体的基础知识，P型硅，N型硅 15.2 PN结及半导体二极管 15.3 稳压二极管 15.4 半导体三极管 15.5 场效应管,15.1.1 本征半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,15.1 半导体的基本知识,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,15.1.2杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴,N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体） P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）,N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,硅或锗 +少量磷 N型半导体,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,硅或锗 +少量硼 P型半导体,空穴,P型半导体,硼原子,硅原子,空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动,杂质半导体的示意表示法,15.2.1 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,15.2 PN结及半导体二极管,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,15.2.2 PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N区加正电压。,PN结正向偏置,内电场减弱，使扩散加强， 扩散飘移，正向电流大,P,N,+,_,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场加强，使扩散停止， 有少量飘移，反向电流很小,反向饱和电流 很小，A级,15.2.3 半导体二极管,(1)、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,(2)、伏安特性,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),（3）静态电阻Rd ，动态电阻 rD,静态工作点Q（UQ ，IQ ）,（3）静态电阻Rd ，动态电阻 rD,静态电阻 ：Rd=UQ/IQ （非线性）,动态电阻： rD =UQ/ IQ,在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻,例1：二极管：死区电压=0 .5V，正向压降 0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,二极管半波整流,例2：二极管的应用,uo,15.3 稳压二极管,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和 Izmin之间时,其两端电压近似为常数,正向同二极管,稳定电流,稳定电压,例：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200 。若负载电阻变化范围为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？,UZW=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）,15.4 半导体三极管,15.4.1 基本结构,NPN型,PNP型,三极管符号,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,发射结,集电结,15.4.2 电流放大原理,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,1,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB ，多数扩散到集电结。,EB,RB,Ec,从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。,2,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,静态电流放大倍数,静态电流放大倍数，动态电流放大倍数,动态电流放大倍数,IB ： IB + IB,15.4.3 特性曲线,IB 与UBE的关系曲线（同二极管）,（1）输入特性,死区电压，硅管0.5V,工作压降： 硅管UBE 0.7V,（2）输出特性(IC与UCE的关系曲线),IC(mA ),Q,Q,输出特性,IC(mA ),当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB , 且 IC = IB 。此区域称为线性放大区。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBE 死区电压,，称为截止区。,输出特性三个区域的特点:,(1) 放大区 BE结正偏，BC结反偏， IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区 BE结正偏，BC结正偏 ，即UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区 UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,USB =-2V， IB=0 ， IC=0， Q位于截止区,USB =2V， IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA IC= IB =500.019=0.95 mA ICS =2 mA ， Q位于放大区 IC最大饱和电流ICS = (USC -UCE)/ RC =(12-0)/6=2mA,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,USB =5V， IB= (USB -UBE)/ RB =(5-0.7)/70=0.061 mA IC= IB =500.061=3.05 mA ICS =2 mA ， Q位于饱和区(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）,三极管的技术数据：（自学） （1）电流放大倍数 （2）集-射间穿透电流ICEO （3）集-射间反向击穿电压UCEO (BR) （4）集电极最大电流ICM （5）集电极最大允许功耗PCM,15.5 场效应晶体管,场效应管与晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,MOS绝缘栅场效应管（N沟道）,（1） 结构,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,金属铝,N导电沟道,N沟道增强型,（2）符号,N沟道耗尽型,栅极,漏极,源极,耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,输出特性曲线,UGS=0V,UGS=+1V,UGS=+2V,夹断电压UP=-2V,耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,转移特性曲线,跨导gm,= ID / UGS,=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V,本课重点,（1）二极管的特性曲线，静态电阻， 动态电阻。 （2）稳压二极管的特性曲线及稳压计算。 （3）晶体管的特性曲线，三个工作区域， 电流放大倍数。 （4）N沟道 MOS绝缘栅场效应管的特性 曲线，跨导。,