半导体器件基础教案综述文档格式.docx
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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(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(u<
0)时,反向电流很小,几乎为0,用IR表示;
(4)当uU(BR)时,二极管发生电击穿,u稍有增加,i急剧增大,uUBR。
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uI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,uO0,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,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uBE<
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,Ic=IB,对应三极管放大的条件是uBE0.5V.uBC<
0V;
把输出特性靠近纵轴的上升部分,对应不同的IB值的各条曲线几乎重叠在一起的区域称为饱和区,此时,UCEUCES,对应三极管饱和的条件是uBE0.7V.uBC>
0V。
2.三极管的主要参数
(1)共发射极电流放大系数
共发射极电流放大系数表示管子做成后,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
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:
uGSUTN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:
uGS>
UTN且uDS较小(uDSuGS-UTN)的区域。
在可变电阻区,iD和uDS之间呈线性关系,uGS值越大,曲线越陡,漏源间的等效电阻就越小;
恒流区:
UTN且uDS较大(uDS>
uGS-UTN)的区域。
在恒流区,iD只取决于uGS,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<
UTN
UTP
RDS非常大,相当于开关断开
导通
uGSUTN
uGSUTP
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,
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UON=0.6V,=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。
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uI=UIL=0时:
由于uIUON=0.6V时,管子工作在截止状态;
当uI=UIH=5V时:
三极管导通
iB=(50.7)/40=0.1075mA,ic=800.1075=8.6mA,
uCE=UCCicRc=128.62=5.2V,故可判断出管子工作在饱和状态
[iCS=(UCCUCES)/RC]=(120.3)/2=5.85mA,IBS=ICS/=0.073mA,iBIBS]
(2)固定Rb值不变,求临界饱和时的Rcmin
可得Rcmin=1.4K。
(3)固定RC值不变,求临界饱和时的Rbmax
可得Rbmax=61K。
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?
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