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半导体基本器件

来源：智榕旅游

第二章半导体基本器件

内容提要

【了解】半导体的相关知识

【熟悉】二极管（即PN结）的单向导电性及主要参数

【了解】三极管的电流放大原理

【熟悉】三极管输出特性曲线的三个工作区及条件和特点、主要参数

【了解】MOS管的工作原理、相应的三个工作区以及与三极管的性能区别

一．网上导学
二．典型例题
三．本章小结
四．习题答案

网上导学：

*了解半导体基础相关知识：1.半导体(导电性能介于┉) ；2.本征半导体(纯净,晶体)、共价键(共用电子对)；热激发：自由电子-空穴对、载流子、复合、浓度(微量,温度影响) 与掺杂半导体：N型(五价磷)、P型半导体(三价硼)、多子、少子；3.PN结：扩散、不能移动的离子、空间电荷区、内电场EIN、阻挡层、漂移、动态平衡。(p38~p41)

本征半导体

掺杂半导体

(a) 多子扩散 (b)空间电荷区

PN结 PN结形成和单向导电性

一.
PN结(二极管)的单向导电性：p41

(a) 正向偏置 (b) 反向偏置

单向导电性

1.PN结内部扩散和漂移的动态平衡(空间电荷区的调节作用)；

2.外加电压(外电场)打破原有的平衡(加正向偏压，削弱了内电场的作用，有利于扩散，形成较大的正向电流，导通；加反向偏压，增强了内电场的作用，有利于漂移，形成微弱的反向电流，截止)；

3.熟悉PN结(即二极管)的伏安特性（i~u）：硅和锗的导通电压UON分别为0.5V和0.1V、正向电压降UD分别为0.6~0.8V和0.1~0.3V,击穿电压U(RB)、二极管符号、主要参数(p43,最大正向电流IF、反向击穿电压U(RB)、反向电流IR等)及应用(数字：开关；模拟：整流、限幅)；稳压管：正常工作在反向击穿状态，为了使稳压管不会因过流而损坏，应当在电路中加限流电阻（见图2.1.9）,主要参数UZ、IZ、IZM。二极管、三极管和MOS管

伏安特性稳压管电路

*了解三极管电流放大原理：(1)发射结正偏,其正向电流主要是由发射区的多子向基区扩散所形成的电流IE(因为发射区重掺杂而基区掺杂浓度很低 ,故基区的多子向发射区扩散可以忽略)；(2) 注入到基区的多子在基区的复合和继续扩散；(3) 复合所形成基极复合电流IBN(≈IB)很小,大部分扩散被集电结反向偏置电场吸引到集电区,形成较大的集电极收集电流ICN(≈IC)(因为基区薄、掺杂浓度低,集电结反偏)。从而实现了三极管电流放大作用即β=IC/IB》1。三极管的电流放大作用就是利用发射区注入的多子在基区的扩散电流(IC)大大超过复合电流(IB)而实现的；了解三极管的两种类型(NPN,PNP)。

两种类型

二.三极管三个工作区（截止、放大、饱和）条件和特点、输出特性曲线：p48

1.截止区：当ui＜UON,截止区,iB≈0,iC≈0；

2.放大区：当ui≥UON,且UB＜UC,或 iB＜IBS,放大区, iC=βiB；

3.饱和区：当ui＞UON,且UB＞UC,或 iB＞IBS,饱和区,uCE=UCES≈0。

(a) 电路 (b) 输出特性曲线

输出特性曲线

了解三极管的主要参数(p50)和应用(2.2.1 P51)以及三极管放大电路的三种组态(P54)。

了解MOS管的工作原理（NMOS管）和相应的三个工作区（夹断区、可变电阻区、恒流区P57）以及与三极管的差别（单、双极型，电压、电流控制电流源，输入电阻高、低）。

典型例题

分析下图所示电路在输入电压Ui为以下各值时，判断晶体管的工作状态（放大、截止或饱和状态）。 (l)Ui= 0； (2)Ui= 3V； (3)Ui= 5V。

提示：把图中虚线框内的电路用戴维南定理化简后再分析。

解求图中虚线框内的电路用戴维南等效电路表示：

UOC= Ui*40/(10+40)+USB*10/(10+40)=0.8 Ui+0.2 USB (迭加定理)

R0 =40∥10 =40*10/(40+10) =8Ω；

(1)Ui= 0, UOC=0.8*0+0.2*(-5)=-1V＜UON(硅管为0.5V)一 ,三极管截止；

(2)Ui= 3V, UOC=0.8*3+0.2*(-5)=1.4V＞UON,三极管工作在放大或饱和状态,

求ICS=(USC-UCES)/RC≈USC/RC=10/1=10mA, 则 ICS/β=10/50=0.2mA,

求IB=( UOC-UBE)/R0=(1.4-0.7)/8=0.0875mA＜ICS/β,故工作在放大状态；

(3)Ui= 5V, UOC=0.8*5+0.2*(-5)=3V＞UON ,

求IB=(3-0.7)/8=0.2875mA＞ICS/β,故工作在饱和状态。

本章小结

一、半导体二极管由P型和N型半导体组成的PN结具有单向导电性。二极管分为硅管和锗管两种类型。硅管的导通电压约为0.5V，管子导通后管压降约为0.6～0.8V；锗管的导通电压约为0.1V，管子导通后管压降约为0.l～0.3V。二极管在模拟电路中常作为整流元件或非线性元件使用；在数字电路中，常作为开关元件使用。

二、晶体三极管是一种电流控制电流源型器件，其输出特性曲线分为截止区、放大区和

饱和区。NPN型硅管，当uBE＜0.5V时，管子截止，即iB=0，iC =0；当uBE≈0.7V且uCE＝UCES=0.3V时（UC＜UB）或iB＞IBS= IBS/β=(Uc- UCES)／(Rc*β)，管子处于饱和状态，当uBE≈0.7V且uCE＞0.3V时（UC＞UB）或iB＜IBS，管子处于放大状态，且iC=βiB。管子的放大区多应用于模拟电路，截止区及饱和区多应用于数字电路。

三、MOS场效应管是一种电压控制电流源型器件。控制量取自G、S极电压而不是电流iG。MOS管的输入电阻rGS值很高约为10⁹-10¹²Ω, iG≈0。 MOS管的输出特性曲线分为夹断（截止）区、恒流区和可变电阻区。增强型NMOS管的uGS＜UTN时，管子截止，iD≈0。当uGS＞UTN时时，管子导通，若uDS值较小，则工作于可变电阻区，D、S极之间相当于一个小值电阻rDS(ON)；若uDS值较大，则工作于恒流区，iD不随uDS的变化而变化。管子的恒流区多用于模拟电路，而夹断区、和可变电阻区多用于数字电路。

对于二极管、三极管及场效应管，都应掌握它们的特性曲线及主要参数。

本章重点、难点：

重点:PN结的单向导电性,三极管(NPN管)的三个工作区的条件和特点；

难点:三极管电流放大原理、MOS场效应管的工作原理。

习题、答案

习题

思考题

1．什么是二极管的单向导电性？

2．理想二极管指的是什么？

3．什么是二极管的反向恢复时间？

4．稳压二极管电路中的限流电阻有何作用？

5．共发射极三极管电路的放大作用是如何实现的？

6．如何判断三极管工作状态：截止区？放大区？还是饱和区？

7．三极管的开启时间和关闭时间指的是什么？

8．MOS场效应管的开启电压是什么？

9．如何判断NMOS场效应管的工作状态：截止区？恒流区？还是可变电阻区？

10．MOS场效应管的跨导gm是如何定义的？

11．MOS场效应管的导通电阻rDS是如何定义的？在可变电阻区和恒流区rDS值是否相同？

填空题

l，N型半导体中的多数载流子是＿＿＿＿＿。

2．PN结具有＿＿＿导电性。

3．半导体二极管、三极管有硅管和＿＿＿管。

4．硅管二极管的导通电压UON约为＿＿＿，导通后其管压降约为＿＿＿；锗管

的UON约为＿＿＿，导通后其管压降约为＿＿＿。

5．理想二极管导通时，其管压降UD=＿＿＿、其等效电阻 rD=＿＿＿。

6．三极管是一种电＿＿控制器件。

7．在 NPN型硅三极管输出特性曲线上，截止区：uBE＜＿＿，iB=＿＿，iC = ＿＿；在放大区：uBE=＿＿，UC＿＿UB β= ＿＿；在饱和区：uBE=0.7V，uCE=UCES其值约为＿＿＿，iBS＞＿＿＿， Uc＿＿UB。

8．场效应管是一种电＿＿控制器件。

9．场效应管的输入电阻rGS约为＿＿＿＿Ω、是高值电阻，因此栅极电流入IC=＿＿。

10．从增强型NMOS场效应管的转移特性曲线中，易于找出＿＿电压的数值；在漏极特性曲线中,在夹断区：uGS＜＿＿，iD=＿＿；在恒流区：uGS≥＿＿且uDS值比较＿＿,电流iD受＿＿控制，基本上与＿＿值天关，rDS值很＿＿；在可变电阻区，uGS＞＿＿且uDS值比较＿＿，导通电阻rDS(ON)的值约为＿＿Ω。跨导gm的定义为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

11．场效应管的开关速度主要受管子的＿＿电容影响，其数值通常在皮法拉级。

练习题

1．
*(2-1)在下图P1.1（a）、(b)、（c）电路中,设二极管为理想二极管,输入电压uI=5sin(2πX1000t)V,波形如图（d）所示。试分别画出各电路uO波形。

图P1.1

2． *(2-2)一个NPN型硅三极管电路如图P1.2（a）所示，其输出特性曲线如图P1.2（b）所示。试在（b）图上标出截止区、饱和区及放大区。

图P1.2

3. *(2-3)在上题中，在UCE=10.6V、IB=30μA工作点处，估算管子的电流放大系数β值。

4．*(2-4)若已知一个三极管的集电极最大允许功耗650mW，问：

（l）当UCE=15V时，其最大允许集电极电流IC=？

（2）当UCE=0.3V时，其最大允许集电极电流IC=？

5．*(2-5)在习题2中，若已知管子的导通电压 UON=0.6V，管子导通后UBE=0.7V，UCES=0.3V, β使用习题3计算的结果。若输入电压出为幅值为5V，频率为1kHz的脉冲电压源，试分析：

（l）电路在uI=UIL=OV和uI=UIH=5V时的工作状态（截止，饱和，放大？）

（2）若固定Rb值不变，求电路工作在临界饱和区时Rc最小值。

（3）着固定Rc值不变，求电路工作在临界饱和区时Rb最大值。

6．*(2-6)对于图P2.2所示电路和输出特性曲线，若已知Rb=4OkΩ，Rc=2kΩ，Uc=12V，β=70。问uI的高电平UIH为何值，才能使管子达到饱和状态。

7．已知一个增强型NMOS管转移特性和漏极特性曲线如图P1.7所示，问：

图P1.7

(1)管子的开启电压UTN=？

(2)在恒流区，估算当uGS从5.OV变化到5.5V时，管子的跨导值gm 。

(3)对于uGS=6V，uDS大约为何值时，管子由可变电阻区进入到恒流区？

(4)在可变电阻区，取uGS=6V，两个工作点上uDS,iD数值分别为（0.4lV,113μA）、(1.0V,250μA),试估计导通电阻rDS(ON) 值。

答案

思考题

1.加正向偏压，有利于扩散，形成较大的正向电流，导通；加反向偏压，有利于漂移，形成微弱的反向电流，截止。

2.视为理想开关,即正向导通时内阻rD=0和正向电压峰UD=0,反向截止时IR=0(开路)。

3.由导通状态变为截止状态所经历的时间,即tre。

4.使稳压管不会因过流而损坏。

5.是利用发射区注入的多子在基区的扩散(IC)大大超过复合(IB)而实现的。

6.当ui＜UON,截止区,iB≈0,iC≈0；

当ui≥UON,且UB＜UC,或 iB＜IBS,放大区, iC=βiB；

当ui＞UON,且UB＞UC,或 iB＞IBS,饱和区,uCE=UCES。

7.ton(开启)=td(延迟)+t_τ(上升),toff(关闭)=ts(存储)+tf(下降)。

8.开启电压V:当增强型MOS管栅源电压UGS增加到一定数值(N沟道为正值,P沟道为负值)即开启电压V时,在栅极下面的衬底表面才开始形成导电沟道,产生漏极电流ID,并受uGS控制。

9.当NMOS管的uGS＜UTN,工作在夹断区, ID =0, D、S极间相当于“开路”；

当NMOS管的uGS＞UTN且uDS值较小,工作在可变电阻区,此时D、S极间的等效电阻

rDS较小,且随uGS增大而变小；

当NMOS管的uGS＞UTN且uDS值较大,工作在恒流区, ID = uGS*gm。

10.MOS管的 gm=ΔID/ΔUGS|UDS=常数。

11.MOS管的导通电阻rDS=ΔUDS/ΔID|UGS=常数, 在恒流区rDS值很大, 在可变电阻区rDS值较小。

填空题

1.自由电子; 2.单向; 3.锗; 4.0.5V, 0.6-0.8V, 0.1V, 0.1-0.3V; 5.0, 0; 6.流; 7.UON, 0, 0; ＞, iC/iB, 0.3V, ICS/β, ＜; 8.压; 9.10⁹-10¹², 0; 10.UTN, UTN, 0, UTN, 大, uGS, uDS, 大, UTN, 小, 数百, ΔID/ΔUGS|UDS=常数; 11.结。

练习题

*(2-1)1.提示：依据二极管单向导电性及理想二极管的的特点(导通时rD=0,截止时开路)

(a)、(c ) (b)

* (2-2) 2. 提示：根据三极管三个工作的条件和特点画出.

*(2-3)3. 提示：此题由输出特性曲线可以直接求得β=ΔIC/ΔIB≈IC/ IB，但与公式法求解(因为Uce=10.6V＞Ube，所以该管工作在放大区)β≈IC/IB=(Ucc-Uce)/Rc÷IB=(12-10.6)/2÷0.03=23.3相差甚远，该命题欠妥当。

解:

从图P1.2中可以看出，在UCE=10.6V、IB=30μA工作点处，根据β=ΔIC/ΔIB=6-0)/(0.06-0)=100 。

*(2-4)4. 提示：理解集电极最大允许功耗Pcm的含义及公式Pc=Ic*UCE

解: ∵Pc=Ic*UCE，

∴当UCE=15V时，其最大允许集电极电流IC=650/15=43.3mA；

当UCE=0.3V时，其最大允许集电极电流IC=650/0.3=2.16A。

*(2-5)5. 提示：根据三极管三个工作区的条件和特点求解

解:

(1)在uI=UIL=0V时，因为uI＜UON，所以三极管工作在截止状态；

在uI=UIH=5V时，因为uI＞UON，且IB=(5-0.7)/40=0.1075mA，而ICS=(12-0.3)/2=5.85mA，ICS/β=5.85/100=0.0585mA，∵ IB＞ICS/β，所以三极管工作在饱和状态；

(2) 固定Rb值不变，所以 IB=0.1075mA，ICS=0.1075*100=10.75mA，则Rc=(12-0.3)/10.75=1.2kΩ；