第一章 半导体器件.ppt

1、第一章第一章 半导体器件半导体器件 信息学院电气信息类信息学院电气信息类之之模拟电子技术基础主讲者：主讲者：郭郭 耸耸教研室：教研室：计算机教研室计算机教研室第一章第一章 半导体器件半导体器件课程相关介绍1、本课程是电气信息类各专业的非常重要的专业基础课。、本课程是电气信息类各专业的非常重要的专业基础课。2、能够使学生获得模拟电子技术方面的基本理论、基本知、能够使学生获得模拟电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能；熟悉模拟电子电路的工作原理，掌握模识和基本技能；熟悉模拟电子电路的工作原理，掌握模拟电路分析方法和设计方法。拟电路分析方法和设计方法。3、能够使学生具有一定的实践技能和应用能力、

2、分析问题、能够使学生具有一定的实践技能和应用能力、分析问题和解决问题的能力，为学习后续课程和从事相关技术工和解决问题的能力，为学习后续课程和从事相关技术工作打好基础。作打好基础。第一章第一章 半导体器件半导体器件课程相关介绍 第一章第一章 半导体器件半导体器件课程相关介绍 第一章第一章 半导体器件半导体器件课程相关介绍第一章第一章 半导体器件半导体器件课程相关介绍。第一章第一章 半导体器件半导体器件关于我的联系方式第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件(semiconductor)半导体的定义：半导体的定义：将导电能力介于导体和绝

3、缘体之间的一大类物质统称为将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体半导体。大多数半导体器件所大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗用主要材料是硅和锗一、本征半导体一、本征半导体(intrinsic semiconductors)(intrinsic semiconductors)在硅在硅(或锗或锗)的晶体中的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。原子在空间排列成规则的晶格。晶体中的价电子与共价键第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件二、二、杂质半导体杂质半导体第一章第一章 半导体器件半导

4、体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件NP一、一、PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性NP第一章第一章 半导体器件半导体器件NP扩散电流大于漂移电流，在回路中形成正向电流扩散电流大于漂移电流，在回路中形成正向电流I。第一章第一章 半导体器件半导体器件称为反向接法或反向偏置称为反向接法或反向偏置（简称反偏）（简称反偏）反向电流非常小，反向电流非常小，PN结处于截止结处于截止(cut-off)状态。状态。加反向电压加反向电压IS 对温度十分敏感。对温度十分敏

5、感。NP第一章第一章 半导体器件半导体器件二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性二极管二极管：在：在PN结上加上管壳和引线，结上加上管壳和引线，阳极从阳极从P区引出，阴极从区引出，阴极从N区引出。区引出。1.二极管的类型二极管的类型从材料分：从材料分：硅二极管和锗二极管。硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：从管子的结构分：点接触型二极管，点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。工作，可用于整流。开

6、关型二极管，开关型二极管，在数字电路中作为开关管。在数字电路中作为开关管。二极管的符号第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件当正向电压超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，二极管导通二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。电流与电压关系近似指数关系。二极管正向特性曲线死区电压：死区电压：导通压降：导通压降：第一章第一章 半导体器件半导体器件反偏时，反向电流值很小，反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电阻很大，反向电压超过反向电压超过UBR则被击穿。则被击穿。结论：结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二

7、极管方程：二极管方程：式中：式中：IS为反向饱和电流为反向饱和电流 UT 是温度电压当量，是温度电压当量，常温下常温下UT近似为近似为26mV。)1(TS UUeIITSUUeII 第一章第一章 半导体器件半导体器件三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流 IF指二极管长期运行时，指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。的数值是由二极管允许的温升所限定。最高反向工作电压最高反向工作电压 UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管

8、可能被击穿。否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为的一半定为UR。第一章第一章 半导体器件半导体器件室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。流过管子的反向电流。IR值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。IR受温度的受温度的影响很大。影响很大。最高工作频率最高工作频率 fM fM值主要决定于结结电容的大小。值主要决定于结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。反向电流反向电流

9、 IR第一章第一章 半导体器件半导体器件二极管除了具有单向导电性以外，二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。还具有一定的电容效应。原因：二极管两端的电压变化，原因：二极管两端的电压变化，PN结中结中 存储的电量也产生变化，如同电容器一存储的电量也产生变化，如同电容器一样。样。这种电容效应用这种电容效应用PN结的结电容来表示。结的结电容来表示。第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件四、稳压管四、稳压管稳压管实质上也是一种二极管，但通常工作在反向击穿区。稳压管实质上也是一种二极管，但通常工作在反向击穿区。与二极管不同之处

10、：与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。击穿是可逆的。特性曲线如下图所示：特性曲线如下图所示：O稳压管的伏安特性minZImaxZI第一章第一章 半导体器件半导体器件1.稳定电压稳定电压UZ，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2.稳定电流稳定电流Iz，稳压管正常工作时的参考电流。，稳压管正常工作时的参考电流。3.动态内阻动态内阻rz，稳压管两端电压和电流的变化量之比。，稳压管两端电压和电流的变化量之比。rz=U/I rz 越小，稳压效果越好。越小，稳压效果越好。4.电压的温度系数电压的温度

11、系数U，稳压管电流不变时，稳压管电流不变时，环境温度每变化环境温度每变化1时所引起的稳定电压变化的百分比。时所引起的稳定电压变化的百分比。5.额定功耗额定功耗Pz，最大稳定电流流过稳压管时消耗的功率。，最大稳定电流流过稳压管时消耗的功率。第一章第一章 半导体器件半导体器件使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：稳压管电路1.稳压管必须工作在稳压管必须工作在反向击穿区，反向击穿区，2.稳压管应与负载稳压管应与负载RL并联，并联，3.必须限制流过稳压必须限制流过稳压管的电流管的电流IZ，通过，通过接入一个限流电阻接入一个限流电阻R来调节来调节IZ的大小。的大小。第一

12、章第一章 半导体器件半导体器件例例1.2.3 电路如图所示，已知电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1k，RLmin=600UZ=6V,对应对应UZ=0.3V。求求rZ，选择限流电阻选择限流电阻R。第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件例例1.2.4 有两个稳压管有两个稳压管 VD1 和和 VD2，它们的稳压值，它们的稳压值为为UZ1=6V，UZ2=8V，正向导通压降均为正向导通压降均为 UD=0.6 V，将它们串联可得到几种稳压值。，将它们串联可得到几种稳压值。第一章第一章 半导体器件半导

13、体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件一、一、三极管的结构三极管的结构NPN型三极管的结构和符号实现放大的外部条件实现放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。：发射结正向偏置，集电极反向偏置。实现放大的实现放大的内部条件内部条件第一章第一章 半导体器件半导体器件一、一、三极管的结构三极管的结构PNP型三极管的结构和符号第一章第一章 半导体器件半导体器件二、三极管中载流子的运动和电流分配关系二、三极管中载流子的运动和电流分配关系（以（以NPN型三极管为例进行讨论。）型三极管为例进行讨论。）第一章第一章 半导体器件半导体器件CNEII 第一章第一章 半导

14、体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件三、三极管的特性曲线三、三极管的特性曲线三极管的输入特性ib三极管的输入回路第一章第一章 半导体器件半导体器件=806040200第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件四、四、三极管的主要参数三极管的主要参数第一章第一章 半导体器件半导体器件说明：说明：这两个反向饱和电流越小，表明三极管的质量越好。这两个反向饱和电流越小，表明三极管的质量越好。第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件五、五、PNPPNP型三极管型三极管N

15、PN型三极管型三极管PNP型三极管型三极管第一章第一章 半导体器件半导体器件练习题练习题在某放大电路中测得三极管三个极的静态电位在某放大电路中测得三极管三个极的静态电位分别为分别为0V、10V和和9.3V，试判断，试判断（1）该管为）该管为 NPN管，还是管，还是PNP管？管？（2）该管为）该管为 硅管，还是锗管？硅管，还是锗管？答案：（答案：（1）NPN管管 （2）硅管）硅管 第一章第一章 半导体器件半导体器件练习题练习题-续续某放大电路中某放大电路中BJT的三个电极的三个电极A、B、C的电流如图，用万用表直流电流档测的电流如图，用万用表直流电流档测得得IA-2mA，IB-0.04mA，IC

16、+2.04mA，（1）试分析）试分析A、B、C中哪个是基极中哪个是基极b、发射级、发射级e、集电极、集电极c。（2）说明此管是）说明此管是NPN管还是管还是PNP管。管。答案：（答案：（1）B是基极是基极b，C是发射极是发射极e，A是集电极是集电极c；（2）NPN管管第一章第一章 半导体器件半导体器件练习题练习题-续续测得某放大电路中测得某放大电路中BJT的三个电极的三个电极A、B、C的对地电位分别为的对地电位分别为VA-9V，VB-6V，VC-6.2V，（1）试分析）试分析A、B、C中哪个是基极中哪个是基极b、发射级、发射级e、集电极、集电极c。（2）该管为）该管为 NPN管，还是管，还是P

17、NP管？管？（3）该管为）该管为 硅管，还是锗管？硅管，还是锗管？答案：（答案：（1）C是基极是基极b，B是发射极是发射极e，A是集电极是集电极c；（2）PNP管管 （3）锗管锗管第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件一、结型场效应管一、结型场效应管N沟道结型场效应管的结构和符号第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件 第一章第一章 半导体器件半导体器件 第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件 N沟道结型场效应管的输出特性第一章第一章 半导

18、体器件半导体器件2GSDDSSGS(off)(1)UIIUGS(off)GS(0UU当时）沟道结型场效应管转移特性第一章第一章 半导体器件半导体器件二、绝缘栅场效应管二、绝缘栅场效应管第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件 第一章第一章 半导体器件半导体器件2()()DDOGSGS thuiIU第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件（1）P沟道沟道MOS场效应管的工作原理与场效应管的工作原理与N沟道的类似；符号也沟道的类似；符号也与与N沟道的类似，但沟道的类似，但B上箭头的方向相反。上箭头的方向相反。

19、（2）说明说明：结型场效应管（：结型场效应管（JFET）与绝缘栅场效应管（）与绝缘栅场效应管（MOSFET）的工作原理是不同的。）的工作原理是不同的。JFET是利用是利用PN结反向电压对结反向电压对耗尽层耗尽层厚度的控制，来改变厚度的控制，来改变导电导电沟道沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。的宽窄，从而控制漏极电流的大小。而而MOSFET则是利用栅源电压来控制半导体表面则是利用栅源电压来控制半导体表面感应电荷感应电荷的多的多少，以改变由这些感应电荷形成的少，以改变由这些感应电荷形成的导电沟道导电沟道的状况，从而控制的状况，从而控制漏极电流的大小。漏极电流的大小。（3）各种场效应管的符号与特性

20、曲线见教材）各种场效应管的符号与特性曲线见教材P28页表页表1-1。要求要求能够根据符号和特性曲线的特点判断出场效应管的类型能够根据符号和特性曲线的特点判断出场效应管的类型。第一章第一章 半导体器件半导体器件例例1.4.1 已知某已知某FET的输出特性如图所示，试判别它的类型（的输出特性如图所示，试判别它的类型（P沟道沟道或或N沟道，增强型或耗尽型，结型沟道，增强型或耗尽型，结型(JFET)或绝缘栅型或绝缘栅型(MOSFET)）。）。答案：（答案：（1）N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 第一章第一章 半导体器件半导体器件例例1.4.2下图所示的下图所示的FET的转移特性，请分别说明各属于何种

21、类型（的转移特性，请分别说明各属于何种类型（P沟道或沟道或N沟道，增强型或耗尽型，结型沟道，增强型或耗尽型，结型(JFET)或绝缘栅型或绝缘栅型(MOSFET)）。如果是增强型，说明它的开启电压。如果是增强型，说明它的开启电压UGS(th)(VT)？如果是耗尽型，说明它的夹断电压？如果是耗尽型，说明它的夹断电压UGS(off)(VP)？（图中（图中iD的假定正向为流进漏极）。的假定正向为流进漏极）。答案：答案：P沟道增强型沟道增强型MOSFET，其，其UGS(th)(VT)-4V。UGS(th)第一章第一章 半导体器件半导体器件三、三、场效应管的主要参数场效应管的主要参数第一章第一章 半导体器

22、件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件DSDmGSuigu常数说明：说明：三极管属于三极管属于电流电流控制器件，而场效应管属于控制器件，而场效应管属于电压电压控制器件控制器件。第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件第一章第一章 半导体器件半导体器件练习题练习题下图所示的下图所示的FET的转移特性，请分别说明各属于何种类型（的转移特性，请分别说明各属于何种类型（P沟道或沟道或N沟道，增强型或耗尽型，结型沟道，增强型或耗尽型，结型(JFET)或绝缘栅型或绝缘栅型(MOSFET)）。如果是增强型，说明它的开启电压。如果是增强型，说明它的开启电压UGS(th)(V

23、T)？如果是耗尽型，说明它的夹断电压？如果是耗尽型，说明它的夹断电压UGS(off)(VP)？（图中（图中iD的假定正向为流进漏极）。的假定正向为流进漏极）。答案：答案：N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET，其，其UGS(off)(VP)-3VUGS(off)第一章第一章 半导体器件半导体器件练习题练习题请根据下图的输出特性作出请根据下图的输出特性作出uDS=15V时的转移特性曲线，并求出时的转移特性曲线，并求出开启电压开启电压UGS(th)和和IDO，以及当，以及当 uDS=15V，uGS=4V时的跨导时的跨导gm。答案：答案：UGS(th)=2V,IDO=2.4mA gm=第一章第一章 半导

24、体器件半导体器件练习题练习题由理想二极管组成的电路如图所示，其由理想二极管组成的电路如图所示，其A、B两端两端的电压的电压UAB为多少？为多少？答案答案：UAB6V 第一章第一章 半导体器件半导体器件练习题练习题判断图中理想二极管的工作状态，并求出判断图中理想二极管的工作状态，并求出AO两端两端的电压。的电压。答案答案：D1处于导通状态、D2处于截止状态；VAO0V。第一章第一章 半导体器件半导体器件练习题练习题试判断图中的二极管是导通还是截止，为什么？（试判断图中的二极管是导通还是截止，为什么？（假设二极管是理想的）假设二极管是理想的）答案答案：VA1V VB1+2.53.5V D处于反向截止状态。处于反向截止状态。C第一章第一章 半导体器件半导体器件练习题练习题如图如图ui=2Esint，D1、D2为理想二极管，试求为理想二极管，试求D1、D2的工作状态及的工作状态及uo波形。波形。第一章第一章 半导体器件半导体器件 本章作业：本章作业：1-3、1-4、1-6、1-9、1-13、1-16