第一章 常用半導體器件

電子技術講授內容第一章常用半導體器件第二章基本放大電路第三章集成運算放大器第六章門電路與組合邏輯電路

時間:第九、十、十一、十二、

十三周，共五周的時間。第十三周一次課，總復習。

實驗內容實驗4常用電子儀器的使用實驗5射極跟隨器實驗6組合邏輯電路的設計1半導體的導電特性第一章常用半導體器件半導體二極管2晶體管4特殊二極管3場效應晶體管5第一章常用半導體器件1.理解PN結的單向導電性。2.了解半導體二極管的基本類型、主要參數(shù)，掌握其伏安特性。3.了解穩(wěn)壓管的主要特性及其穩(wěn)壓作用。4.理解雙極型晶體管的基本類型、特性曲線和主要參數(shù)，理解晶體管的三種工作狀態(tài)?；疽螅?.1半導體的導電特性1.物質的導電性自然界中的物質按照導電能力可分為導體、絕緣體與半導體。導體：導電能力良好的物體，如銀、銅、鐵等。絕緣體：不能導電或導電能力很差的物體，如橡膠、陶瓷、玻璃、塑料等。半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物體。半導體的導電特性(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強1.1半導體的導電特性典型的元素半導體有硅Si和鍺Ge，此外，還有化合物半導體砷化鎵GaAs等。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。1.1半導體的導電特性2.本征半導體完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。

Si

Si

Si

Si晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。1.1半導體的導電特性本征半導體的導電機理

Si

Si

Si

Si價電子空穴自由電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征激發(fā)：溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子、空穴愈多。1.1半導體的導電特性(5)當半導體兩端加上外電壓時，載流子定向運動（漂移運動），在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流

①自由電子作定向運動電子電流

②價電子遞補空穴空穴電流結論：(1)半導體有兩種載流子:（負）電子、（正）空穴。(2)自由電子和空穴成對地產(chǎn)生，同時又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。(3)

載流子的數(shù)量少，故導電性能很差。(4)載流子的數(shù)量受溫度影響較大，溫度高數(shù)量就多。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。1.1半導體的導電特性3.N型半導體和P型半導體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。1.1半導體的導電特性

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。1.1半導體的導電特性小結:(1)N型半導體（電子型半導體）形成：向本征半導體中摻入少量的5價元素特點：（a）含有大量的電子——多數(shù)載流子

（b）含有少量的空穴——少數(shù)載流子(2)P型半導體（空穴型半導體）形成：向本征半導體中摻入少量的3價元素特點：（a）含有大量的空穴——多數(shù)載流子

（b）含有少量的電子——少數(shù)載流子1.1半導體的導電特性1.在雜質半導體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。2.在雜質半導體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。3.當溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba思考題：1.1半導體的導電特性4.

PN結的形成及其單向導電性多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)1.1半導體的導電特性PN結的單向導電性（1）PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場IF內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–1.1半導體的導電特性（2）PN結加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+1.1半導體的導電特性PN結變寬（2）PN結加反向電壓（反向偏置）外電場內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正

溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流隨溫度升高而增加。–+

PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－1.1半導體的導電特性1.2半導體二極管1.基本結構PN陽極陰極兩層半導體一個PN結按結面積分點接觸型面接觸型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型(1)點接觸型(2)面接觸型結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。按材料分硅管鍺管按用途分普通管整流管……1.2半導體二極管2.伏安特性硅管0.5V,鍺管0.2V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.7V鍺管約0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內保持常數(shù)。2.伏安特性二極管電流與電壓之間的關系UIOAABB硅鍺半導體二極管的伏安特性正向：死區(qū)（OA段）:硅管約0.5V，鍺管約0.2V；正向導通區(qū):硅管約0.7V，鍺管約0.3V反向：截止區(qū)（OB段）:I近似為0；擊穿區(qū):管子被擊穿1.2半導體二極管2.伏安特性二極管電流與電壓之間的關系UIOAABB硅鍺半導體二極管的伏安特性UIOUDUIO(a)近似特性(b)理想特性1.2半導體二極管3.主要參數(shù)（1）IOM：最大整流電流（2）URM：最高反向工作電壓（3）IRM：最大反向電流二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓的一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流越小，說明管子的單向導電性越好。1.2半導體二極管伏安特性反向擊穿電壓U(BR)導通壓降外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性UIPN+–PN–+加最高反向工作電壓時的反向電流小結：二極管的單向導電性（1）二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。（2）二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。（3）外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。（4）二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。1.2半導體二極管二極管電路分析：先判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓U的正負。若V陽>V陰或

U

為正，二極管導通若V陽<V陰或

U

為負，二極管截止

若二極管是理想的，正向導通時管壓降為零，反向截止時相當于開路。否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺約0.3V1.2半導體二極管例1：分析輸出電壓和二極管上電壓的波形。假設二極管為理想二極管。習題P18：1-4–++–aTrDuou2bRLio+–u1uDOuoOu2tOu2

正半周，Va>Vb，D導通，uo=u2；u2

負半周，Va<Vb，D截止，uo=0。1.2半導體二極管作業(yè):1-4，1-5

回顧:

二極管電路分析：先判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓U的正負。若V陽>V陰或

U

為正，二極管導通若V陽<V陰或

U

為負，二極管截止

若二極管是理想的，正向導通時管壓降為零，反向截止時相當于開路。否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺約0.3V1.2半導體二極管練習：電路如圖，求UAB=？D6V12V3kBAUAB+–V陽=－6VV陰

=－12VV陽>V陰

二極管導通（1）若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V（2）考慮管壓降，UAB低于－6V一個管壓降，為

－6.3Ｖ

或－6.7V

（正向導通壓降:硅管約0.7V，鍺管約0.3V）解：取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。1.2半導體二極管半導體二極管圖片1.2半導體二極管1.2半導體二極管1.2半導體二極管1.3特殊二極管符號_+1.3.1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓

利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向擊穿狀態(tài)。1.伏安特性：符號_+UZIZIZMUZIZUIO穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。使用時要加限流電阻1.3特殊二極管2.主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。（2）動態(tài)電阻rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。（3）穩(wěn)定電流IZ是指某種穩(wěn)壓管進入反向擊穿工作區(qū)所必需的參考電流，通常該電流為5mA，穩(wěn)壓管的實際電流大于穩(wěn)定電流時，穩(wěn)壓性能較好。1.3特殊二極管3.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析方法（1）穩(wěn)電管正向偏置時，相當于一個普通二極管正向偏置的情況。

（2）穩(wěn)壓管反向偏置時①當外加反向電壓小于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓時，穩(wěn)壓管截止，可視為開路。②當外加反向電壓大于或等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓，并且流過穩(wěn)壓管的電流滿足一定要求時，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓。1.3特殊二極管

例：穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，正向壓降忽略不計。當輸入電壓Ui分別為直流10V、3V、-5V時，求（1）輸出電壓UO；（2）若ui=10sinωtV，試畫出uo的波形。DZRuoui++––Ui=10V：DZ工作在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓，UO=UZ=5VUi=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi=-5V：DZ工作在正向導通狀態(tài)，UO=0V1.3特殊二極管ui正半周，當ui>UZ，DZ反向擊穿，uO=5V當ui<UZ，DZ反向截止，uO=uiui負半周，DZ正向導通，uO=0Vui10V5V

（2）若ui=10sinωtV，uo的波形如下:DZRuoui++––1.3特殊二極管符號光電傳輸系統(tǒng)

LED工作原理：發(fā)光二極管也具有單向導電性。當外加反向電壓，二極管截止不發(fā)光,當外加正向電壓，二極管導通，因流過正向電流而發(fā)光。1.3特殊二極管

1.3.2發(fā)光二極管（LED)1.4晶體管1.4.1基本結構基極發(fā)射極集電極NPN型BECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極NNP符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管結構特點：基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結集電結：面積大BECNNP基極發(fā)射極集電極集電區(qū)：尺寸最大1.4晶體管1.4.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結正偏、集電結反偏PNP發(fā)射結正偏VB<VE集電結反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結正偏VB>VE集電結反偏VC>VB

1.4晶體管發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++IE2.各電極電流關系及電流放大作用1.4晶體管IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:1）三電極電流關系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。實質:用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。3.三極管內部載流子的運動規(guī)律（補充）1.4晶體管BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。

進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE，多數(shù)擴散到集電結。從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。1.4晶體管3.三極管內部載流子的運動規(guī)律ICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBO可見，集電極電流IC是由ICBO與ICE兩部分組成的，

IB是由ICBO和IBE兩部分組成的，晶體管的放大是因ICE遠大于IBE，其比值為(常用公式)1.4晶體管1.4.3特性曲線即管子各電極電壓與電流的關系曲線，是管子內部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線?1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設計性能良好的電路重點討論應用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線1.4晶體管發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++

1.4晶體管1.輸入特性曲線IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO特點:非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.2V。正常工作時發(fā)射結電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7V1.4晶體管結論:（1）輸入特性是發(fā)射結的正向特性，它是一條非線性曲線。（2）只有當加在發(fā)射結的電壓大于死區(qū)電壓時，晶體管才會出現(xiàn)基極電流。（3）正常工作時，NPN型硅管的發(fā)射結電壓UBE=0.6～0.7V。1.4晶體管2.

輸出特性曲線IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：(1)放大區(qū)在放大區(qū)有IC=IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。在放大區(qū)，發(fā)射結處于正向偏置、集電結處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。1.4晶體管IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB=0以下的區(qū)域稱為截止區(qū)，有IC0

。

對于NPN型硅管，當UBE<0.5V時，已處于截止狀態(tài)。當UBE<0V時，晶體管可靠截止，此時發(fā)射結處于反向偏置。

在截止區(qū)發(fā)射結處于反向偏置，集電結處于反向偏置，晶體管工作于截止狀態(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)1.4晶體管IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O飽和區(qū)（3）飽和區(qū)

靠近縱軸的區(qū)域成為飽和區(qū)，晶體管在飽和區(qū)工作時的狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。

當UCEUBE時，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結處于正向偏置，集電結也處于正偏。

深度飽和時，

硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。1.4晶體管1.4.4主要參數(shù)（6個）①電流放大系數(shù)有，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當晶體管接成發(fā)射極電路時，表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設計電路、選用晶體管的依據(jù)。常用晶體管的

值在20~200之間。1.4晶體管例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A，IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點，有由Q1和Q2點，得1.4晶體管集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOA+–EC集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。1.4晶體管集電極最大允許電流ICM集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。當集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。集電極最大允許耗散功耗PCMPCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。PC

PCM

硅管允許結溫約為150C，鍺管約為7090C。1.4晶體管ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEO1.4晶體管晶體管參數(shù)與溫度的關系（1）溫度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管優(yōu)于鍺管。（2）溫度每升高1C，UBE將減小(2~2.5)mV，即晶體管具有負溫度系數(shù)。（3）溫度每升高1C，增加0.5%~1.0%。（記至教材P30）

1.4晶體管作業(yè):1-6，1-7，1-91.5場效應晶體管雙極型晶體管:參與導電的有兩種類型的載流子。單極型晶體管:僅有一種類型的載流子參與導電。常用于數(shù)字集成電路中(第六章)又因為這種晶體管是利用電場效應來控制電流大小的，所以又稱為場效應管。N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道FET場效應管JFET結型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場效應管按其結構可分為兩種類型：1.5場效應晶體管金屬-氧化物-半導體場效應管

MOSFET(Metal-Oxide-semiconductortypeFieldEffectTransistor)特點：輸入電阻很高，最高可達到1015歐姆。表面場效應器件耗盡型是當uGS=0時，存在導電溝道，iD≠0.增強型是當uGS=0時，不存在導電溝道，iD=0。1.5場效應晶體管1.5.1N溝道增強型MOS場效應管5.1.1結構N溝道增強型MOS場效應管結構如圖，它是在P型半導體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出源極與漏極，源極與漏極之間的二氧化硅上面引出柵極。襯底也接出一根引線，通常情況下將它和源極在管子內部連接在一起。由圖可見，柵極和其他電極及硅片之間是絕緣的，所以稱為絕緣柵場效應管。1.5場效應晶體管1.5.1

N溝道增強型MOS場效應管1.

結構漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E柵極G→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導體因此稱之為MOS管2.

工作原理1.5場效應晶體管UGS<UT時（開啟電壓)UGS＞UT時(形成反型層)當UGS=0V時，漏源之間相當于兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。0＜UGS＜UT時，SiO2中產(chǎn)生一垂直于表面的電場，P型表面上感應出現(xiàn)許多電子，但電子數(shù)量有限,不能形成溝道。當UGS＞UT時，P型半導體表層中將聚集較多的電子，可以形成導電通道，稱為溝道，將漏極和源極連通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。當漏、源電壓一定時，使管子由不導通變?yōu)閷ǖ呐R界柵-源電壓稱為開啟電壓，用UGS(th)表示，簡記為UT。在柵極下方形成的導電溝道中的電子，因與P型半導體的多數(shù)載流子空穴極性相反，故稱為反型層。1.5場效應晶體管

當UGS較小時，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負離子不能導電。當UGS=UT時,在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導電溝道，在UDS的作用下形成電流ID。增強型MOS管UDSID++--++--++++----UGS反型層當UGS=0V時，漏源之間于相當兩個背靠背的PN結，無論UDS之間加任何電壓，不會在D、S間形成電流ID，即ID≈0。當UGS>UT時,溝道加厚，溝道電阻減少，在相同UDS的作用下，ID將進一步增加。開始無導電溝道，當在UGSUT時才形成溝道,這種類型的管子稱為增強型MOS管1.5場效應晶體管3.特性曲線(１)轉移特性曲線：輸入電壓與輸出電流間的關系曲線，對于共源電路，即：0iDuGSUGS(th)