半导体基本器件半导体基本器件第二章半导体基本器件2.1半导体二极管PN结的单向导电原理，二极管的伏安特性2.2半导体三极管三极管输出特性中的截止区、放大区和饱和区等概念。三极管共发射极电流放大系数的概念三极管开关电路工作状态的分析方法2.3MOS场效应管MOS场效应管的分类及符号增强型NMOS管的特性曲线2.1 半导体二极管2.1.1半导体基本知识2.N型和P型半导体(2)P型半导体在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻硅原子组成共价键时由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。硼原子得到一个电子成为负离子（在晶体中不能移动），失去价电子的共价键中出现一个空穴，每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴型或P型半导体。2.1半导体二极管2.1.1半导体基本知识2.N型和P型半导体(2)P型半导体的特点空穴：多数载流子（简称多子）自由电子：少数载流子（简称少子）2.1 半导体二极管2.1.1半导体基本知识3.PN结的形成半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。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2.1 半导体二极管2.1.1半导体基本知识3.PN结的形成多子扩散运动形成空间电荷区由于浓度差，电子和空穴扩散的结果，在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区（PN结），并产生由N区指向P区的内电场EIN。内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移。扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结。2.1 半导体二极管2.1.1半导体基本知识4.PN结的单向导电性外加正向电压（正向偏置）外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于“导通”状态。2.1半导体二极管2.1.1半导体基本知识4.PN结的单向导电性外加反向电压（反向偏置）外加电场与内电场方向相同，内电场增强，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流IR，因为是少子漂移运动产生的，IR很小，这时称PN结处于“截止”状态。2.1半导体二极管2.1.1半导体基本知识4.PN结的单向导电性PN结伏安特性a.外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态b.正向电压大于“导通电压UON”后，i随着u增大迅速上升。Uon0.5V(硅) Uon0.1V(锗)2.1 半导体二极管2.1.1半导体基本知识4.PN结的单向导电性PN结伏安特性c.外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流IR很小。d.反向电压大于“击穿电压U（BR）”时，反向电流IR急剧增加。2.1 半导体二极管2.1.2二极管符号及主要参数二极管主要参数：1.最大正向电流IF2.反向击穿电压U（BR）A阳极 K阴极IN4148IN40072.1半导体二极管2.1.3二极管应用举例二极管的伏安特性是一个非线性的曲线，在电路计算中，导通时管压降近似估算为：UD0.7V（硅）UD0.3V（锗）p42或视为一个理想开关，即导通时视为“短路”，截止时视为“开路”。p442.2 半导体三极管NPN型和PNP型三极管的结构示意图及电路符号2.2 半导体三极管NPN型和PNP型三极管的结构示意图及电路符号C集电极集电极BE发射极发射极 P 集电结集电结发射结发射结 N N C集电极集电极BE发射极发射极基极基极 N 集电结集电结发射结发射结 P P CEBCEBTO-220晶体管TO-92晶体管TO-126晶体管教材100113页 TTLTransister Transister Logic2.2 半导体三极管2.2.1三极管的符号及其特性曲线1.三极管的放大原理条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置电流的分配关系 称为电流放大系数 值通常在20200之间2.2 半导体三极管2.2.1三极管的符号及其特性曲线1.三极管的放大原理条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置电流的分配关系 称为电流放大系数 值通常在20200之间2.2半导体三极管2.2.1三极管的符号及其特性曲线2.三极管的特性曲线及三个工作区2.2 半导体三极管2.2.1三极管的符号及其特性曲线2.三极管的特性曲线及三个工作区截止条件：特点：ce之间相当于断开的开关2.2半导体三极管2.2.1三极管的符号及其特性曲线2.三极管的特性曲线及三个工作区放大条件：特点：ce之间相当于受控电流源2.2半导体三极管2.2.1三极管的符号及其特性曲线2.三极管的特性曲线及三个工作区饱和条件：特点：ce之间相当于闭合的开关2.2 半导体三极管截止和饱和两个状态通称为开关状态。截止条件：特点：ce之间相当于断开的开关。饱和条件：特点：ce之间相当于闭合的开关。IbIc 最大电流ICM, 最大功率PCMIcm=600mA; PcM=625mW设工作电流 Ic = 200mA Uce 625/200 = 3V 共发射极电流放大系数2.2.2 三极管的主要参数及应用电路如图所示，已知50，UCES = 0.3 V ， uBE = 0.7 V，试计算uI 分别为1V，1V，3V时三极管的工作状态。3 KR c6V6VR b10 Ku u I I2.3 MOS场效应管MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的，输入端不需要供给电流。P型硅片作衬底，表面制作两个N型区，引出源极(s)和漏极(d)，覆盖一层SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极(g)。 金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide-semiconductor)电路符号电路符号gds2.3 MOS场效应管uGS=0时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性的电压，都不能导电。uGS为正时，产生一个电场，把P型衬底少子电子吸引到衬底表面，当uGS增大到一定值时，电子在衬底表面形成一个N型层即N型导电沟道。2.3 MOS场效应管小结：MOS管是一个受栅源电压uGS控制的器件uGSUGS(th)时，D-S间无导电沟道，MOS管截止。uGSUGS(th)时，D-S间才会形成导电沟道，故称为N沟道增强型MOS管。uGS增大，导电沟道变宽。即改变uGS可以控制iD的大小。ID=gmUGSIG=0UGS(th):开启电压开启电压转移特性输出特性 uGSUGS(th)， 管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关uGS UGS(th) ，uDS较小。 iD与uDS之间近似为线性关系，D、S之间相当于一个由uGS控制的可变电阻。 uGS UGS(th) ，uDS较大， iD取决于uGS。 ID=gmUGS转移特性输出特性在夹断区，管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关。在可变电阻区，D、S之间导通电阻rDS(ON)很小，约为几百欧姆。只要RD远大于这个导通电阻，漏源之间可以看作闭合的开关。 MOS管的开关特性nppP沟道增强型MOS管S D 电流从S流入，D流出P沟道增强型沟道增强型MOS管管结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！41