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β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）半导体二极管
1．PN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（u
I <U
ON
）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u
I 大于U
ON
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（u<0）时，反向电流很小, 几乎为0，用I R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 ≈ U BR。

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.U ON称作导通电压，也叫开启电压, U(BR)称作反向击穿电压，I R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U IH=+5V、低电平U IL=-5V，见图（b）。

可以知道，当输入信号的正半周时，二极管导通，u O =u I=+5V，负半周时，二极管截止，i D≈0，u O≈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，i D ≈0，二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I B =0这条曲线以下部分称为截止区,此时,三极管各极电流i B ≈i C ≈0,对应三极管截止的条件是u BE <0.5V ；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,I c =βI B , 对应三极管放大的条件是u BE ≥0.5V.
u BC <0V ；把输出特性靠近纵轴的上升部分,对应不同的I B 值的各条曲线几乎重叠
在一起的区域称为饱和区,此时,U CE ≤ U CES ,对应三极管饱和的条件是u BE ≥0.7V.
u BC >0V 。

2．三极管的主要参数
（1）共发射极电流放大系数β
共发射极电流放大系数β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U CES
集电极-发射极饱和电压U CES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I CM
集电极最大电流I CM指集电极允许流过的最大电流。

（4）集电极最大功率损耗P CM
集电极最大功率损耗P CM指集电极允许的最大功率。

（5）集电极-发射极击穿电压U CEO
I CM、P CM、U CEO是极限值，使用管子时，不要超过极限值。

（三）MOS场效应管
1．MOS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u GS和漏极电流i D之间的关系。

因为u GS 是输入回路的电压，而i D是输出回路的电流，故称转移特性。

可以看出：
当u GS很小时：i D基本上为0，管子截止；当u GS大于U TN（U TN称作开启电压）时：i D 随u GS的增加而增加。

图（b）的输出特性曲线描述漏源电压u DS和漏极电流i D之间的关系。

可以看出，它分作三个区域：
夹断区: u GS U TN的区域。

在夹断区，管子处于截止状态，漏源间的等效电阻极高。

漏极电流几乎为0，输出回路近似开路；
可变电阻区：u GS>U TN且u DS较小（u DS<u GS-U TN）的区域。

在可变电阻区，i D和u DS 之间呈线性关系，u GS值越大，曲线越陡，漏源间的等效电阻就越小；
恒流区：u GS>U TN且u DS较大（u DS> u GS-U TN）的区域。

在恒流区，i D只取决于u GS，而与u DS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u GS <U TN u GS >U TP R DS非常大,相当于开关断开
导通u GS≥ U TN u GS≤ U TP r ON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，i D≈0。

抓住这些要点，可以知道在输入图（d）所示波形的情况下，
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，i D≈0，电阻上的压降≈0，输出电压等于输入电压，u O≈u I；
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，u O≈u I；在输入信号的负半周，二极管截止，i D≈0，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，i D≈0，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U ON=0.6V，β=80，管子导通后U BE =0.7V，U CES =0.3V，若输入电压u I幅值为5V、频率为1kHz的脉冲电压源，试分析：
（1）当u I= U IL=0V和u I= U IH=5V时三极管的工作状态（放大、饱和、截止）；
（2）若R b值不变，求电路工作在临界饱和区时R C的最小值；
若R
值不变，求电路工作在临界饱和区时R b的最大值。

C
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 =U IL=0时：
由于u I < U ON =0.6V时，管子工作在截止状态；
当u I =U IH=5V时：三极管导通
i B =（5-0.7）/40=0.1075mA，i c =80⨯0.1075=8.6 mA，
u CE = U CC- i c R c =12-8.6⨯2= -5.2V，故可判断出管子工作在饱和状态
[ i CS =（U CC- U CES）/R C]=（12-0.3）/2=5.85mA，I BS = I CS /β = 0.073mA，i B > I BS] （2）固定R b值不变，求临界饱和时的R cmin
可得R cmin=1.4KΩ。

（3）固定R C值不变，求临界饱和时的R bmax
可得R bmax=61KΩ。

一、内容总结
二、学习要求
三个元件：二极管、三极管和M O S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、P N结是如何形成的？
4、如何由P N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、M O S管有那几种类型？
8、与三极管输出特性比较，M O S管的三个工作区有何特点？
9、二极管、三极管和M O S管的开关时间怎么理解？。