半导体器件基础教案.docx

1、半导体器件基础教案第一章半导体器件基础【学习目标】1.了解PN结的单向导电性。2.熟悉二极管的伏安特性3.了解开关二极管、整流二极管、稳压二极管的基本用途。4.掌握三极管输出特性曲线中的截止区、放大区和饱和区等概念。5.熟悉三极管共发射极电流放大系数的含义。6.熟悉对三极管开关电路工作状态的分析方法。7.熟悉三极管的主要参数。8.熟悉MOS场效应管的分类及符号。9.熟悉增强型NMOS管的特性曲线。10.了解MOS场效应管的主要参数。【内容提要】 本章介绍三种常用的半导体器件，即半导体二极管、三极管及MOS场效应管。重点介绍这些器件的外部特性曲线、主要参数及电路实例。一、教学内容 （一） 半导体

2、二极管 1PN结的伏安特性 PN结的伏安特性描述了PN结两端电压u和流过PN结电流i之间的关系。图是PN结的伏-安特性曲线。可以看出: （1）当外加正向电压较小（uIUON）时，外电场不足以克服PN结内电场对多子扩散所造成的阻力，电流i几乎为0，PN结处于截止状态； （2）当外加正向电压uI大于UON时，正向电流i随u的增加按指数规律上升且i曲线很陡 。 （3）当外加反向电压（u0）时，反向电流很小, 几乎为0，用IR表示； （4）当u U(BR) 时,二极管发生电击穿,|u| 稍有增加,|i|急剧增大, u UBR。 把PN结外加正向电压导通、外加反向电压截止的性能称作单向导电特性.UON称

3、作导通电压，也叫开启电压, U(BR) 称作反向击穿电压，IR称作反向电流。 2半导体二极管应用举例 半导体二极管是将PN结用外壳封装、加上电极引线构成。可以用作限幅电路、开关电路等。 （1）用作限幅电路 图2.2（a）是二极管电路。假设输入电压u I是一周期性矩形脉冲，输入高电平UIH=+5V、低电平UIL=-5V，见图（b）。可以知道，当输入信号的正半周时，二极管导通，uO =uI=+5V，负半周时，二极管截止，iD0，uO 0，对应波形见图中（c）所示。通过二极管电路，使输出电压负半周的幅度受到了限制。 (2)用作开关电路 在图2.2（a）所示的二极管电路中，假设二极管为理想二极管。可以

4、知道，当输入信号的正半周时，二极管导通，二极管可以看作只有很小（0）压降的闭合开关，负半周时，二极管截止，iD0，二极管可以看作断开的开关。 在数字电路中，二极管常被当做开关使用。 （二）双极型三极管 1 双极型三极管及其三种工作状态 NPN硅三极管的共射输出特性如图2.3所示。 把IB=0这条曲线以下部分称为截止区,此时,三极管各极电流iBiC0,对应三极管截止的条件是uBE0.5V；在特性的中间部分,曲线是一族近似水平的直线,这个区域称为放大区,此时,Ic=bIB, 对应三极管放大的条件是uBE0.5V. uBC0V。 2三极管的主要参数 （1）共发射极电流放大系数b 共发射极电流放大系数

5、b表示管子做成后，其收集电流和基区复合电流之比，是一个常数。 （2）集电极-发射极饱和电压UCES 集电极-发射极饱和电压UCES指管子饱和时，集电极-发射极间的管压降，小功率管0.3V。 （3）集电极最大电流ICM 集电极最大电流ICM指集电极允许流过的最大电流。 （4）集电极最大功率损耗PCM 集电极最大功率损耗PCM指集电极允许的最大功率。 （5）集电极-发射极击穿电压UCEO ICM、PCM、UCEO是极限值，使用管子时，不要超过极限值。 （三）MOS场效应管 1MOS场效应管的分类 MOS场效应管按其沟道和工作类型可分为四种：N沟道增强型、P沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道耗尽型。表

6、2.1列出了四种场效应管的特点。 2特性曲线 图2.4示出了增强型NMOS管共源电路的转移特性和输出特性曲线。 图（a）的转移特性曲线描述MOS管栅源电压uGS和漏极电流iD之间的关系。因为uGS是输入回路的电压，而iD是输出回路的电流，故称转移特性。可以看出： 当uGS很小时：iD基本上为0，管子截止；当uGS大于UTN（UTN称作开启电压）时：iD 随uGS的增加而增加。 图（b）的输出特性曲线描述漏源电压uDS和漏极电流iD之间的关系。可以看出，它分作三个区域： 夹断区: uGS UTN且uDS较小（uDSUTN且uDS较大（uDS uGS-UTN）的区域 。在恒流区，iD只取决于uGS

7、，而与uDS无关。 表2. 2列出了MOS管工作在截止和导通状态时的条件及特点。 表2.2 NMOS管 PMOS管 特 点 截止 uGS UTP RDS非常大,相当于开关断开 导通 uGS UTN uGS UTP rON非常小,相当于开关闭合 二、例题解析（答案供参考） 例2.1 在图P2.1（a）（b）（c）所示的电路中，设二极管为理想二极管，输入电压 解：分析二极管电路，要抓住二极管导通和截止的条件和特点。设理想二极管的导通电压为0V，导通时，管压降为0V（非理想状态一般为0.7V）；二极管两端的正向电压小于0.5V时，管子截止，iD0。抓住这些要点，可以知道在输入图（d）所示波形的情况下

8、， 图（a）电路中，在输入信号的正半周，二极管导通，输出电压等于管压降，约为0V，在输入信号的负半周，二极管截止，iD0，电阻上的压降0，输出电压等于输入电压，uOuI； 图（b）电路中，在输入信号的正半周，二极管导通，管压降约为0V，输出电压约等于输入电压，uOuI；在输入信号的负半周，二极管截止，iD0，电阻上的压降0，输出电压等于0； 图（c）电路中，在输入信号的正半周，二极管因反向偏置而截止，iD0，电阻上的压降0，输出电压等于0；在输入信号的负半周，二极管导通，管压降约为0V，输出电压约等于输入电压。相应波形见答图P2.1。 答图2.5 例2.2 在图P2.2中，若已知管子的导通电压

9、UON=0.6V，b=80，管子导通后UBE =0.7V，UCES =0.3V，若输入电压uI幅值为5V、频率为1kHz的脉冲电压源，试分析：（1）当uI= UIL=0V和uI= UIH=5V时三极管的工作状态（放大、饱和、截止）；（2）若Rb值不变，求电路工作在临界饱和区时RC的最小值；若RC值不变，求电路工作在临界饱和区时Rb的最大值。 解：分析三极管电路。同样要抓住三极管三种工作状态的条件和特点。（1）当u I =UIL=0时： 由于u I I BS （2）固定Rb值不变，求临界饱和时的Rcmin 可得Rcmin=1.4KW。 （3）固定RC值不变，求临界饱和时的Rbmax可得R bma

10、x=61KW。一、内容总结二、学习要求三个元件：二极管、三极管和MOS管两个重点：1、元件的外特性2、作开关元件的应用本章基础部分自学为主，不苛求元件内部工作原理的掌握，学会运用“黑箱”的方法理解元件的外特性及开关特性。三、思考题1、共价键结构，本征半导体，自由电子，空穴，载流子的是什么？2、N型和P型半导体的区别，它们的多子和少子是什么？3、PN结是如何形成的？4、如何由PN结的伏安特性来理解它的单向导电性？5、三极管的放大原理是什么？6、怎么在输出特性曲线上理解三极管的三个工作区？7、MOS管有那几种类型？8、与三极管输出特性比较，MOS管的三个工作区有何特点？9、二极管、三极管和MOS管的开关时间怎么理解？