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1,第一章 半导体器件基础知识,2,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,半导体器件是电子线路的核心器件。只有掌握半导体器件的结构、性能、工作原理和特点，才能正确分析电子电路工作原理，正确选择和合理使用半导体器件。本章主要介绍二极管、三极管、场效应管、晶闸管的结构、性能、主要参数以及常用器件的识别与性能测试等。本章重点：PN 结的特性、晶体三极管、场效应管的工作原理、主要参数和外特性。本章难点：PN 结的形成、三极管电流放大作用,本 章 概 述,第一节,本 章 概 述,第五节,3,第一节 半导体的基本知识,一、半导体的概念 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）和砷化镓（GaAs）等。二、半导体的特性（1）热敏特性和光敏特性：温度升高或受到光照，半导体材料的导电能力增强。（2）掺杂特性：本征半导体中掺入某种微量元素(杂质)后，它的导电能力增强，利用该特性可形成杂质半导体。,第一节 半导体的基本知识,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,4,第一节 半导体的基本知识,图1-1 共价健结构与空穴产生示意图,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,三、本征半导体 纯净的不含任何杂质、晶体结构排列整齐的半导体。共价键：相邻原子共有价电子所形成的束缚。半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。空穴产生：价电子获得能量挣脱原子核吸引和共价键束缚后留下的空位，空穴带正电。,5,四、N型和P型半导体(1)N型半导体(N-type semiconductor)在四价的本征半导体(硅)中掺入微量五价元素磷，就形成了N型半导体。(2)P型半导体(P-type semiconductor)：在四价的本征半导体(硅)中掺入微量三价元素(硼)就形成P型半导体。,a)N型半导体 b)P型半导体,第一章 半导体器件基础知识,第一节 半导体的基本知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,6,五、PN结 1PN结的形成,第一章 半导体器件基础知识,第一节 半导体的基本知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,PN结的形成,在一块纯净的半导体晶体上，采用特殊掺杂工艺，在两侧分别掺入三价元素和五价元素。一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体如图所示。,7,第一章 半导体器件基础知识,第一节 半导体的基本知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,2 PN结的单向导电性 当PN结的两端加上正向电压，即P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为PN结正偏，如图所示。,PN结正偏,8,第一章 半导体器件基础知识,第一节 半导体的基本知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,PN结反偏,如果给PN外加反向电压，即P区接电源的负极，N区接电源的正极，称为PN结反偏，如图所示。外加电压在PN结上所形成的外电场与PN结内电场的方向相同，增强了内电场的作用，破坏了原有的动态平衡，使PN结变厚，加强了少数载流子的漂移运动，由于少数载流子的数量很少，所以只有很小的反向电流，一般情况下可以忽略不计。这时称PN结为反向截止状态。,PN结正偏时导通，反偏时截止，因此它具有单向导电性，这也是PN结的重要特性,9,第二节 半导体二极管,一、二极管的结构、类型、电路符号,通过一定的生产工艺把半导体的P区和N区部分结合在一起，则它们的交界处就会形成一个具有单向导电性的薄层，称为PN结。以PN结为管芯，在P区和N区均接上电极引线，并以外壳封装，就制成了半导体二极管，简称二极管。,1、二极管电路符号：箭头方向表示二极管导通时的电流方向。,a)内部结构 b)电路符号,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,10,2、二极管的分类(1)按所用材料不同划分：硅管和锗管(2)按制造工艺不同划分 点接触型：结电容很小，允许通过的电流也很小（几十毫安以下），适用于高频检波、变频、高频振荡等场合。2AP系列和2AK系列；面接触型：允许通过的电流较大，结电容也大，工作频率较低，用作整流器件。如国产硅二极管2CP和2CZ系列；硅平面型，2CK系列开关管。,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,11,图 二极管结构 a)点接触型 b)硅面接触型 c)硅平面型,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,12,二、二极管的伏安特性 1、二极管的单向导电性,如图，(a)中的开关闭合，灯亮，大电流；图(b)开关闭合，灯不亮，电流几乎为零。,半导体二极管单向导电性实验a)二极管正向偏置 b)二极管反向偏置,二极管正偏导通，反偏截止的这种特性称为单向导电性,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,13,2、二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f(U)之间的关系曲线。,硅管的伏安特性,正向特性,反向特性,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,14,（1）正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右。,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,正向特性,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,15,(2)反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大,这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,16,三、温度对二级管特性的影响,1温度升高1，硅和锗二极管导通时的正向压降UF将减小2.5mv左右。2温度每升高10，反向电流增加约一倍。3温度升高UBR下降。,二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。,四、二级管的主要参数,1最大整流电流IF IF为指二极管长期运行时允许通过的最大正向直流电流。IF与PN结的材料、面积及散热条件有关。大功率二极管使用时，一般要加散热片。在实际使用时，流过二极管最大平均电流不能超过IF，否则二极管会因过热而损坏。,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,17,2.最高反向工作电压 UR,工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压 UBR 的一半定义为 UR。,3.反向电流 IR,通常希望 IR 值愈小愈好。,4.最高工作频率 fM,fM 值主要 决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,18,五、二极管的应用,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,1、整流电路 整流电路是利用二极管的单向导电作用，将交流电变成脉动直流电的电路。具体电路将在第章节中介绍。,2限幅电路 限幅电路又称削波电路，是用来限制输入信号电压范围的电路。(1)单向限幅电路 单向限幅电路如图所示。输入电压和输出电压波形如图所示。,图1 单向限幅电路,19,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,(2)双向限幅电路 通常将具有上、下门限的限幅电路称为双向限幅电路，电路及其输入波形如图1-所示。图中电源电压U1、U2用来控制它的上、下门限值。,图1-双向限幅电路,20,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,3钳位电路 钳位电路是使输出电位钳制在某一数值上保持不变的电路。钳位电路在数字电子技术中的应用最广。如图110所示是数字电路中最基本的与门电路，也是钳位电路的一种形式。设二极管为理想二极管，当输入UA=UB=3V时，二极管VD1、VD2正偏导通，输出电位被钳制在UA和UB上，即UF=3V；当UA=0V，UB=3V，则D1导通，输出被钳制在UF=UA=0V，D2反偏截止。,21,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,4检波电路 检波电路是把信号从已调波中检出来的电路。检波电路在调幅收音机及电视机中都有应用，电路如图111所示。,22,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,六、特殊二极管,1发光二极管发光二极管（LED）是一种将电能转换成光能的特殊二极管，它的外型和符号如图112所示。在LED的管头上一般都加装了玻璃透镜。,图112 发光二极管的外型和符号,通常制成LED的半导体中的掺杂浓度很高，当向管子施加正向电压时，大量的电子和空穴在空间电荷区复合时释放出的能量大部分转换为光能，从而使LED发光。,使用时必须正向偏置。它工作时只需1.53V的正向电压和几毫安的电流就能正常发光，由于LED允许的工作电流小，使用时应串联限流电阻。,23,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,2光电二极管 光电二极管又称光敏二极管，是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管（受光器件）。光电二极管的符号如图所示。,光电二极管工作在反向偏置下，无光照时，流过光电二极管的电流（称暗电流）很小；受光照时，产生电子空穴对（称光生载流子），在反向电压作用下，流过光电二极管的电流（称光电流）明显增强。利用光电二极管可以制成光电传感器，把光信号转变为电信号，从而实现控制或测量等。如果把发光二极管和光电二极管组合并封装在一起，则构成二极管型光电耦合器件，光电耦合器可以实现输入和输出电路的电气隔离和实现信号的单方向传递。它常用在数/模电路或计算机控制系统中做接口电路。,受光面,受光面,24,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,3变容二极管 变容二极管是利用PN结结电容可变原理制成的半导体器件，它仍工作在反向偏置状态。变容二极管的特点是结电容随反偏电压的变化而变化，它主要用在电视机、录音机、收音机的调谐电路和自动微调电路中，其电路符号如图所示。,25,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,4稳压二极管,稳压二极管是一种在规定反向电流范围内可以重复击穿的硅平面二极管。它的伏安特性曲线、图形符号及稳压管电路如图115所示。,稳压管符号,26,第一章 半导体器件基础知识,第二节 半导体二极管,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,稳压管主要参数如下：1)稳定电压Uz Uz是稳压管反向击穿稳定工作的电压。型号不同，Uz值就不同，根据需要查手册确定。2)稳定电流Iz Iz是指稳压管工作的最小电流值。如果电流小于Iz，则稳压性能差，甚至失去稳压作用。3)动态电阻rz rz是稳压管在反向击穿工作区，电压的变化量与对应的电流变化量的比值，即 rz=Uz/Iz rz越小，稳压性能越好。,27,第三节 半导体三极管,一、三极管的结构、电路符号、分类,（2）三极管的分类(1)按结构划分：NPN和PNP。(2)按所用半导体材料划分：硅管和锗管。(3)按用途划分：放大管和开关管。(4)按工作频率划分：低频管和高频管。(5)按功率大小划分：小功率管、中功率管、大功率管。,（1）三极管的外形如下图所示。,X：低频小功率管D：低频大功率管G：高频小功率管A：高频大功率管,第三节 半导体三极管,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,28,第三节 半导体三极管,（3）三极管的结构与符号,e,c,b,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,NPN 型,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,29,第三节 半导体三极管,（3）三极管的结构与符号,e,c,b,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,PNP 型,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,30,第三节 半导体三极管,注意：(1)两种管子的电路符号用发射极箭头方向的不同以示区别，箭头方向表示发射结正偏时发射极电流的实际方向。(2)在使用时三极管的发射极和集电极不能互换。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,31,第三节 半导体三极管,二、三极管的电流放大作用及其放大基本条件,1三极管各极的电流分配,三极管电流分配实验电路,由下表得出规律：IE=IC+IB即发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,32,第三节 半导体三极管,2三极管的电流放大作用（1）三极管的电流放大作用就是基极电流IB的微小变化控制了集电极电流IC较大的变化。（2）三极管放大电流时，被放大的IC是由电源VCC提供的，并不是三极管自身生成的，放大的实质是小信号对大信号的控制作用。（3）三极管是一种电流控制器件。,3三极管放大的基本条件（1）放大的偏置条件：发射结正偏，集电结反偏。（2）NPN管具有放大作用时的电位关系：UCUBUE；PNP管：UCUBUE。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,33,第三节 半导体三极管,三、三极管的输入输出特性曲线,三极管的各个电极上电压和电流之间的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线或特性曲线。三极管在电路中的连接方式（组态）不同，其特性曲线也不同。用NPN型管组成的共射特性曲线测试电路如图所示。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,34,第三节 半导体三极管,1、输入特性曲线,共射输入特性曲线方程式：,(1)UCE=0 时的输入特性曲线,当 UCE=0 时，基极和发射极之间相当于两个 PN 结并联。所以，当 b、e 之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,35,第三节 半导体三极管,(2)UCE 0 时的输入特性曲线,*特性右移,*UCE 1 V，特性曲线重合。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,36,第三节 半导体三极管,例:三极管工作状态的判断,测量某硅材料NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1）VC 6V VB 0.7V VE 0V（2）VC 6V VB 4V VE 3.6V（3）VC 3.6V VB 4V VE 3.4V,解：对NPN管而言，放大时VC VB VE 对PNP管而言，放大时VC VB VE,所以（1）放大区（2）截止区（3）饱和区UCE UBE,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,37,第三节 半导体三极管,、输出特性,划分四个区：截止区、放大区和饱和区、击穿区。,放大区,截止区IB 0 的区域。,两个结都处于反向偏置。,IB=0 时，IC=ICEO。硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,38,第三节 半导体三极管,放大区,放大区,条件：发射结正偏集电结反偏对 NPN 管 UBE 0，UBC 0,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。集电极电流和基极电流体现放大作用，即,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,39,第三节 半导体三极管,饱和区,条件：两个结均正偏对 NPN 管UBE 0,UBC 0。,特点：IC 基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失去放大作用。I C IB。,当 UCE=UBE，即 UCB=0 时，称临界饱和，UCE UBE时称为过饱和。,饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0.2 V(锗管),第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,40,第三节 半导体三极管,击穿区,击穿区,当三极管uCE增大到某一值时，iC将急剧增加，特性曲线迅速上翘，这时三极管发生击穿。工作时应避免管子击穿。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,41,第三节 半导体三极管,四、三极管的主要参数及温度对特性的影响,1.电流放大系数,（1）共射电流放大系数,（2）共射直流电流放大系数,忽略穿透电流 ICEO 时，,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,42,第三节 半导体三极管,（3）共基电流放大系数,（4）共基直流电流放大系数,忽略反向饱和电流 ICBO 时，,和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,43,第三节 半导体三极管,与温度的关系：,温度升高，值增大。每升高1，值增加0.5%1%，反映在输出特性曲线上就是各条曲线的间距增大。,2.极间反向电流,(1).集电极-基极反向饱和电流 ICBO,小功率锗管 ICBO 约为几微安；硅管的 ICBO 小，有的为纳安数量级。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,44,第三节 半导体三极管,(2).集电极-发射极反向饱和电流(穿透电流)ICEO,当 b 开路时，c 和 e 之间的电流。,值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,45,第三节 半导体三极管,3.极限参数它是表征三极管能安全工作的参数。,(1).集电极最大允许电流 ICM,当 IC 过大时，三极管的 值要减小。在 IC=ICM 时，值下降到额定值的三分之二。当超过这个值时，放大性能下降或损坏管子。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,46,第三节 半导体三极管,（2）反向击穿电压U(BR)CBO 发射极开路时，集电极基极之间允许施加的最高反向电压，超过此值，集电结发生反向击穿。,U(BR)EBO 集电极开路时，发射极基极之间允许施加的最高反向电压。U(BR)CEO 基极开路时，集电极与发射极之间所能承受的最高反向电压。为可靠工作，使用时VCC取U(BR)CEO的1/2或2/3。在输出特性曲线中，iB0的曲线开始急剧上翘所对应的电压即为U(BR)CEO，其值比U(BR)CBO小。T，U(BR)。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,47,第三节 半导体三极管,(3)集电极最大允许耗散功率 PCM,将 IC 与 UCE 乘积等于规定的 PCM 值各点连接起来，可得一条双曲线。,ICUCE PCM 为安全工作区,ICUCE PCM 为过损耗区,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,48,第三节 半导体三极管,例:测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V（4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？确定e、b、c,分析得（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅（2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗（3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅（4）U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,解:发射结正偏，集电结反偏。对于NPN管UBE0，UBC0。先求UBE，若等于，为硅管；若等于，为锗管。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,49,第四节 场效应管,场效应管是仅由多数载流子参与导电的半导体有源器件,它是一种由输入信号电压来控制其输出电流大小的半导体三极管,为电压控制器件。只有一种载流子参与导电，也称单极型三极管。,结型场效应管,绝缘栅场效应管,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,第四节 场效应管,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,50,第四节 场效应管,（耗尽型）,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,51,第四节 场效应管,一、增强型绝缘栅场效应管的结构及其工作原理,1.结构和符号,B,G,S,D,源极 S,衬底引线 B,栅极 G,图 1-26N 沟道增强型MOS 管的结构,G,S,D,漏极 D,G,S,D,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,52,第四节 场效应管,2.工作原理与特性曲线,以N沟道增强型MOS管为例进行讨论,(1)工作原理 工作时,N沟道增强MOS管的栅源电压 和漏源电压 均为正向电压。,当UGS=0时,漏源之间相当于两个背靠背的PN结,漏极与源极之间无导电沟道，即使加上,也无漏极电流,。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,53,UDS=0，0 UGS UT,P 型衬底中的电子被吸引靠近 SiO2 与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。,VGG,UDS=0，UGS UT,由于吸引了足够多的电子，,会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层即N 型导电沟道。,UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS=0，所以 ID=0。UT 为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,第四节 场效应管,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,54,UDS 对导电沟道的影响(UGS UT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID。,b.UDS=UGS UT，UGD=UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c.UDS UGS UT，UGD UT,由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。,a.UDS UT,第四节 场效应管,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,55,第四节 场效应管,（2）特性曲线,场效应管的特性曲线常用的有输出特性曲线和转移特性曲线两种。场效应管的输出特性又称为漏极特性，关系式为：,当漏源电压为某一定值时，漏极电流与栅源电压之间的关系式为转移特性关系式，即,转移特性,UGS UT，ID=0；,UGS UT，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,56,第四节 场效应管,N沟道增强型MOS管的输出特性曲线,恒流区,可变电阻区,1）可变电阻区（也称非饱和区）,2）恒流区（也称饱和区、放大区、有源区）,3）夹断区（也称截止区）,4）击穿区,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,57,第四节 场效应管,二、耗尽型绝缘栅型场效应管的结构及其工作原理,1.结构和符号,与增强型的主要区别是:制造时已经在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，漏、源极间形成了N型导电沟道（反型层）。,N+,+,N+,型衬底,沟道管的结构示意图,沟道管符号,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,58,第四节 场效应管,2.工作原理,当uGS为正时，反型层变宽，沟道电阻变小，iD变大；而当uGS为负时，反型层变窄，沟道电阻变大，iD变小。当uGS减小到某一负值时，反型层消失，漏-源间的导电沟道随之消失，iD=0。此时的uGS称为夹断电压UGS(off)。,工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,59,第四节 场效应管,三、结型场效应管的简介,图1-30 结型场效应管a）N沟道管的结构示意图 b）平面结构示意图c）N沟道管的电路符号 d)P沟道管的符号,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,60,第四节 场效应管,1结型场效应管也分为N沟道和P沟道两种。2结型场效应管中存在原始沟道，故属于耗尽型。,3N沟道结型场效应管正常工作时，栅源之间加反向电压，即uGS0，使两个PN结反偏；漏源之间加正向电压，即uDS0，形成漏极电流iD。4N沟道结型场效应管工作在各个区域的条件：当满足uGSUGS(off)(夹断电压)，uDSuGSUGS(off)时工作在可变电阻区；当满足uGSUGS(off)且uDSuGSUGS(off)时工作在恒流区；当满足uGSUGS(off)时工作在夹断区。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,61,第四节 场效应管,四、场效应管的主要参数,1性能参数（1）开启电压UGS(th)和夹断电压UGS(off)它指uDS一定时，使漏极电流iD等于某一微小电流时栅、源之间所加的电压uGS，对于增强型MOS管称为开启电压UGS(th)，对于耗尽型MOS管称为夹断电压UGS(off)。（2）饱和漏极电流IDSS 它是耗尽型管子的参数，指工作在饱和区的耗尽型场效应管在uGS0时的饱和漏极电流。,（3）直流输入电阻RGS 指漏、源极间短路时，栅、源直流电压和栅极直流电流之比。结型管的大于，而MOS 管的大于。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,62,第四节 场效应管,（4）低频跨导 gm,用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用。,单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,63,第四节 场效应管,2极限参数（1）最大漏极电流IDM IDM是指管子在工作时允许的最大漏极电流。（2）最大耗散功率PDM 最大耗散功率PDMuDSiD，其值受管子的最高工作温度的限制。（3）漏源击穿电压U（BR）DS 它是漏、源极间所能承受的最大电压，即uDS增大到使iD开始急剧上升(管子击穿)时的uDS值。（4）栅源击穿电压U（BR）GS 它是指栅、源极间所能承受的最大电压。uGS值超过此值时，栅源间发生击穿。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,64,第四节 场效应管,各类场效应管比较表,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,65,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,晶闸管（VT），曾经称为可控硅（SCR），是一种工作于开关状态的大功率半导体器件。它的主要特点是控制能力很强，只要几十到几百毫安电流和几伏电压的小信号，便能控制大电流、高电压（电流可达上千安，电压可达上万伏）电路的导通和断开。具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、使用灵活方便等优点。,第一章 半导体器件基础知识,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,66,一、晶闸管的基本结构,晶闸管外形图,第一章 半导体器件基础知识,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,67,一、晶闸管的基本结构,K,K,K,阳极,阴极,控制极,晶闸管的结构示意图和符号,第一章 半导体器件基础知识,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,68,二、晶闸管的工作原理,不亮,不亮,实验电路,第一章 半导体器件基础知识,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,69,二、晶闸管的工作原理,UGG,S,UAA,亮,从实验可知，晶闸管导通必须具备两个条件：晶闸管阳极与阴极之间加正向电压；晶闸管控制极与阴极之间加正向电压,晶闸管导通后，若断开，灯仍然亮,晶闸管导通后，采用下列措施才能将其关断：1、使阳极电流减小到小于维持电流IH的数值；2、在阳极和阴极之间加反向电压。,第一章 半导体器件基础知识,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,70,三、晶闸管的伏安特性,UBO,A,B,C,IH,IG=0,正向阻断特性：当 IG=0，而阳极电压不超过一定值时，管子处于阻断状态。,UBO 正向转折电压,正向导通特性：管子导通后，伏安特性与二极管的正向特性相似。,IH 维持电流,当控制极电流 IG 0 时，使晶闸管由阻断变为导通所需的阳极电压减小。,IG 增大,反向特性：与二极管的反向特性相似。,UBR,第一章 半导体器件基础知识,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,71,四、晶闸管的主要参数,1.正向重复峰值电压UDRM:控制极开路，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。2.反向重复峰值电压URRM:控制极开路，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。3.额定正向平均电流IF:连续通过的工频正弦波电流平均值。4.维持电流IH:控制极开路，维持导通的最小阳极电流。5.触发电压UG和触发电流IG:u=6v时使晶闸管导通所需最小的控制极电压和电流，一般为15V和几十至几百mA。,第一章 半导体器件基础知识,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,72,第一章 半导体器件基础知识,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,五、单结晶体管,1单结晶体管的结构和产品外形,它是在一个低掺杂的型硅片上利用扩散工艺形成一个高掺杂的区，在区和型边界形成结，然后从区引出电极，称这发射极e，从型硅片的两端各引出一个电极，分别成为基极b1和基极b。单结晶体管有两个基极，因此出称双基极晶体管,73,第一章 半导体器件基础知识,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,2单结晶体管的基本特性,图134单结晶体管特性曲线和测量电路,74,第一章 半导体器件基础知识,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,3单结晶体管的典型应用（1）利用单结晶体管的负阻特性可以组成如图135(a)所示的振荡电路，这种电路产生的脉冲常用于晶闸管的触发。,(a)(b)图135单结晶体管构成的振荡电路,75,第一章 半导体器件基础知识,第五节 单结晶体管及晶闸管简介,第二节,第三节,第四节,本章概述,第一节,第五节,（2）晶闸管可控触发,76,本章结束,江西应用技术职业学院机械电子工程系,