大學(xué)電子電路教程3

廣東外語外貿(mào)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院《電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)》第二篇模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)主講教師：李心廣電話：36207428(O)第六章半導(dǎo)體器件的基本特性

6.1

半導(dǎo)體的基本知識6.2

PN

結(jié)及半導(dǎo)體二極管6.3

特殊二極管6.4

半導(dǎo)體三極管6.1.1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。6.1半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。6.1.2

本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子2.本征半導(dǎo)體的的導(dǎo)電機理+4+4+4+4在其它力的作作用下，空穴穴吸引附近的的電子來填補補，這樣的結(jié)結(jié)果相當(dāng)于空空穴的遷移，，而空穴的遷遷移相當(dāng)于正正電荷的移動動，因此可以以認(rèn)為空穴是是載流子。本征半導(dǎo)體中中存在數(shù)量相相等的兩種載載流子，即自由電子和空穴。溫度越高，載載流子的濃度度越高。因此此本征半導(dǎo)體體的導(dǎo)電能力力越強，溫度度是影響半導(dǎo)導(dǎo)體性能的一一個重要的外外部因素，這這是半導(dǎo)體的的一大特點。。本征半導(dǎo)體的的導(dǎo)電能力取取決于載流子子的濃度。本征半導(dǎo)體中中電流由兩部部分組成：1.自由電子移動動產(chǎn)生的電流流。2.空穴移動產(chǎn)生生的電流。6.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體體中摻入某些些微量的雜質(zhì)質(zhì)，就會使半半導(dǎo)體的導(dǎo)電電性能發(fā)生顯顯著變化。其其原因是摻雜雜半導(dǎo)體的某某種載流子濃濃度大大增加加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大大增加的雜質(zhì)質(zhì)半導(dǎo)體，也也稱為（空穴穴半導(dǎo)體）。。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度度大大增加的的雜質(zhì)半導(dǎo)體體，也稱為（（電子半導(dǎo)體體）。一、N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體體中摻入少量量的五價元素素磷（或銻）），晶體點陣陣中的某些半半導(dǎo)體原子被被雜質(zhì)取代，，磷原子的最最外層有五個個價電子，其其中四個與相相鄰的半導(dǎo)體體原子形成共共價鍵，必定定多出一個電電子，這個電電子幾乎不受受束縛，很容容易被激發(fā)而而成為自由電電子，這樣磷磷原子就成了了不能移動的的帶正電的離離子。每個磷磷原子給出一一個電子，稱稱為施主原子。+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的的載流子是什什么？1.由施主原子提提供的電子，，濃度與施主主原子相同。。2.本征半導(dǎo)體中中成對產(chǎn)生的的電子和空穴穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大大于本征半導(dǎo)導(dǎo)體中載流子子濃度，所以以，自由電子子濃度遠(yuǎn)大于于空穴濃度。。自由電子稱稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為為少數(shù)載流子（少子）。二、P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導(dǎo)體中空空穴是多子，，電子是少子子。三、雜質(zhì)半導(dǎo)導(dǎo)體的示意表表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子子和少子的移移動都能形成成電流。但由由于數(shù)量的關(guān)關(guān)系，起導(dǎo)電電作用的主要要是多子。近似認(rèn)為多多子與雜質(zhì)濃濃度相等。6.2.1PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)導(dǎo)體基片上，，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)經(jīng)過載流子的的擴散，在它它們的交界面面處就形成了了PN結(jié)。6.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二二極管P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是是使空間電荷荷區(qū)逐漸加寬寬，空間電荷荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，，就使漂移運運動越強，而而漂移使空間間電荷區(qū)變薄薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂漂移這一對相相反的運動最最終達到平衡衡，相當(dāng)于兩兩個區(qū)之間沒沒有電荷運動動，空間電荷荷區(qū)的厚度固固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位位VV01.空間間電電荷荷區(qū)區(qū)中中沒沒有有載載流流子子。。2.空間間電電荷荷區(qū)區(qū)中中內(nèi)內(nèi)電電場場阻阻礙礙P中的的空空穴穴.N區(qū)中的的電電子子（（都是是多多子子）向向?qū)Ψ椒竭\運動動（（擴散散運運動動）。。3.P區(qū)中中的的電電子子和和N區(qū)中中的的空空穴穴（（都是是少少），，數(shù)數(shù)量量有有限限，，因因此此由由它它們們形形成成的的電電流流很很小小。。注意意:6.2.2PN結(jié)的的單單向向?qū)?dǎo)電電性性PN結(jié)加上上正正向向電電壓壓、正向向偏偏置置的意意思思都都是是：P區(qū)加加正正、、N區(qū)加加負(fù)負(fù)電電壓壓。。PN結(jié)加上上反反向向電電壓壓、反向向偏偏置置的意意思思都都是是：：P區(qū)加加負(fù)負(fù)、、N區(qū)加加正正電電壓壓。。－－－－++++RE一、、PN結(jié)正正向向偏偏置置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電電場場被被削削弱弱，，多多子子的的擴擴散散加加強強能能夠夠形形成成較較大大的的擴擴散散電電流流。。二、、PN結(jié)反反向向偏偏置置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電電場場被被被被加加強強，，多多子子的的擴擴散散受受抑抑制制。。少少子子漂漂移移加加強強，，但但少少子子數(shù)數(shù)量量有有限限，，只只能能形形成成較較小小的的反反向向電電流流。。RE6.2.3半導(dǎo)導(dǎo)體體二二極極管管一、、基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)PN結(jié)加加上上管管殼殼和和引引線線，，就就成成為為半半導(dǎo)導(dǎo)體體二二極極管管。。引線外殼線觸絲線基片點接接觸觸型型PN結(jié)面接接觸觸型型PN二極管的電路符號：二、、伏伏安安特特性性UI死區(qū)區(qū)電電壓壓硅硅管管0.6V,鍺管管0.2V。導(dǎo)通通壓壓降降:硅管管0.6~0.7V,鍺管管0.2~0.3V。反向向擊擊穿穿電電壓壓UBR擊穿穿特特性性：：反反向向電電壓壓在在一一定定范范圍圍內(nèi)內(nèi)時時，，反反向向電電流流基基本本不不隨隨反反向向電電壓壓增增加加而而增增加加，，但但當(dāng)當(dāng)反反向向電電壓壓超超過過一一定定數(shù)數(shù)值值后后（（反反向向擊擊穿穿電電壓壓UB時）），，反反向向電電流流會會突突然然急急劇劇增增加加，，這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象叫叫做做二二極極管管的的反反向向擊擊穿穿。。產(chǎn)產(chǎn)生生反反向向擊擊穿穿的的原原因因是是，，在在強強電電場場的的作作用用下下，，半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中的的自自由由電電子子和和空空穴穴濃濃度度大大大大增增加加，，引引起起反反向向電電流流急急劇劇增增加加。。擊擊穿穿有有雪雪崩崩擊擊穿穿(avalanchebreakdown)和齊納擊擊穿(zenerbreakdown)兩種。當(dāng)反向電電壓足夠夠高時，，阻擋層層內(nèi)電場場很強，，少數(shù)載載流子在在結(jié)區(qū)內(nèi)內(nèi)受強烈烈電場的的加速作作用，獲獲得很大大的能量量，在運運動中與與其它原原子發(fā)生生碰撞時時，有可可能將價價電子““打”出出共價鍵鍵，形成成新的電電子、空空穴對，，這些新新的載流流子與原原來的載載流子一一道，在在強電場場作用下下碰撞其其它原子子打出更更多的電電子、空空穴對，，如此連連鎖反應(yīng)應(yīng)，使反反向電流流迅速增增大。這這種擊穿穿稱為雪雪崩擊穿穿。所謂“齊齊納”擊擊穿是當(dāng)當(dāng)PN結(jié)兩邊摻摻入高濃濃度的雜雜質(zhì)，其其阻擋層層寬度很很?。]沒有足夠夠的空間間使電子子獲得較較大的速速度），，即使外外加反向向電壓不不太高（（一般為為幾伏）），在PN結(jié)內(nèi)就可可以形成成很強的的電場，，將共價價鍵的電電子直接接拉出來來，產(chǎn)生生電子空空穴對，，使反向向電流急急劇增加加，出現(xiàn)現(xiàn)擊穿現(xiàn)現(xiàn)象。需要指出出的是，，發(fā)生擊擊穿并不不意味著著PN結(jié)破壞。。當(dāng)反向向擊穿時時，只要要注意控控制反向向電流的的數(shù)值（（一般通通過串電電阻R實現(xiàn)），，不使其其過大，，以免因因過熱而而燒壞PN結(jié)，當(dāng)反反向電壓壓（絕對對值）降降低時，，PN結(jié)的性能能可以恢恢復(fù)正常常。穩(wěn)壓壓二極管管，就是是利用PN結(jié)的擊穿穿特性，，此時流流過PN結(jié)的電流流變化時時，結(jié)電電壓UB基本不變變。但當(dāng)當(dāng)反向電電壓過高高，反向向電流過過大時，，PN結(jié)耗散功功率超過過允許值值，將導(dǎo)導(dǎo)致PN結(jié)過熱而而燒壞，，這就是是二極管管的熱擊擊穿，熱熱擊穿為為破壞性性擊穿。。二極管伏伏安特性性的表達達式為：：（6-1）其中：ID—二極管的的電流（（A）IS—二極管反反向飽和和電流（（A）U—外加電壓壓（V）UT—溫度電壓壓當(dāng)量=KT/q=0.026V(T=300K)e—自然對數(shù)數(shù)的底三、主要要參數(shù)1.最大整流流電流IOM二極管長長期使用用時，允允許流過過二極管管的最大大正向平平均電流流。2.反向擊穿穿電壓UBR二極管反反向擊穿穿時的電電壓值。。擊穿時時反向電電流劇增增，二極極管的單單向?qū)щ婋娦员黄破茐?，甚甚至過熱熱而燒壞壞。手冊冊上給出出的最高高反向工工作電壓壓UWRM一般是UBR的一半。。3.反向電流流IR指二極管管加反向向峰值工工作電壓壓時的反反向電流流。反向向電流大大，說明明管子的的單向?qū)?dǎo)電性差差，因此此反向電電流越小小越好。。反向電電流受溫溫度的影影響，溫溫度越高高反向電電流越大大。硅管管的反向向電流較較小，鍺鍺管的反反向電流流要比硅硅管大幾幾十到幾幾百倍。。以上均是是二極管管的直流流參數(shù)，，二極管管的應(yīng)用用是主要要利用它它的單向向?qū)щ娦孕裕饕獞?yīng)用于于整流、、限幅、、保護等等等。下下面介紹紹兩個交交流參數(shù)數(shù)。二極管的的直流電電阻RD加到二極極管兩端端的直流流電壓與與流過二二極管的的電流之之比，稱稱為二極極管的直直流電阻阻RD，即（6-2）4.微變電阻阻rD(交流電阻阻)iDuDIDUDQiDuDrD是二極管管特性曲曲線上工工作點Q附近電壓壓的變化化與電流流的變化化之比：：顯然，rD是對Q附近的微微小變化化區(qū)域內(nèi)內(nèi)的電阻阻。5.二極管的的極間電電容二極管的的兩極之之間有電電容，此此電容由由兩部分分組成：：勢壘電容容CB和擴散電容容CD。勢壘電容容：勢壘區(qū)是是積累空空間電荷荷的區(qū)域域，當(dāng)電電壓變化化時，就就會引起起積累在在勢壘區(qū)區(qū)的空間間電荷的的變化，，這樣所所表現(xiàn)出出的電容容是勢壘電容容。擴散電容容：為了形成成正向電電流（擴擴散電流流），注注入P區(qū)的少子子（電子子）在P區(qū)有濃度度差，越越靠近PN結(jié)濃度越越大，即即在P區(qū)有電子子的積累累。同理理，在N區(qū)有空穴穴的積累累。正向向電流大大，積累累的電荷荷多。這樣所產(chǎn)產(chǎn)生的電電容就是是擴散電電容CD。P+-NCB在正向和和反向偏偏置時均均不能忽忽略。而而反向偏偏置時，，由于載載流子數(shù)數(shù)目很少少，擴散散電容可可忽略。。PN結(jié)高頻小小信號時時的等效效電路：：勢壘電容容和擴散散電容的的綜合效效應(yīng)rd二極管：：死區(qū)電壓壓=0.5V，正向壓壓降0.7V(硅二極管管)理想二極極管：死區(qū)電壓壓=0，正向壓壓降=0RLuiuouiuott二極管的的應(yīng)用舉舉例1：二極管半半波整流流二極管的的應(yīng)用舉舉例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo單相半波波整流(halfwaverectifier)電路（6-5）負(fù)載上的的直流電電流Io為二極管截截止時承承受的反反向電壓壓為其最最大值單相橋式式整流電電路(bridgerectifiercircuit)設(shè)變壓器器的次級級繞組電電壓為（6-7）負(fù)載電阻阻中的直直流電流流同樣增增加了一一倍，即即（6-8）二極管限限幅電路路(clippingcircuit)6.3.1穩(wěn)壓二極極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差差曲線越陡陡，電壓壓越穩(wěn)定定。+-UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。6.3特殊二極極管（4）穩(wěn)定電流流IZ、最大、最最小穩(wěn)定定電流Izmax、Izmin。（5）最大允允許功耗耗穩(wěn)壓二極極管的參參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓壓UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電電阻負(fù)載電阻阻。要求當(dāng)輸入電電壓由正正常值發(fā)發(fā)生20%波動時，，負(fù)載電電壓基本本不變。。穩(wěn)壓二極極管的應(yīng)應(yīng)用舉例例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的的技術(shù)參參數(shù):解：令輸輸入電壓壓達到上上限時，，流過穩(wěn)穩(wěn)壓管的的電流為為Izmax。求：電阻R和輸入電電壓ui的正常值值?！匠?令輸入電電壓降到到下限時時，流過過穩(wěn)壓管管的電流流為Izmin?！匠?uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程程1、2，可解得得：6.3.2光電二極極管反向電流流隨光照照強度的的增加而而上升。。IU照度增加6.3.3發(fā)光二極極管有正向電電流流過過時，發(fā)發(fā)出一定定波長范范圍的光光，目前前的發(fā)光光管可以以發(fā)出從從紅外到到可見波波段的光光，它的的電特性性與一般般二極管管類似。。6.4.1基本結(jié)構(gòu)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型6.4半導(dǎo)體三三極管BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較較薄，摻摻雜濃度度低集電區(qū)：：面積較較大發(fā)射區(qū)：：摻雜濃度較較高BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)6.4.2電流放大大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。IBE進入P區(qū)的電子子少部分分與基區(qū)區(qū)的空穴穴復(fù)合，，形成電電流IBE，多數(shù)擴擴散到集集電結(jié)。。發(fā)射結(jié)正正偏，發(fā)發(fā)射區(qū)電電子不斷斷向基區(qū)區(qū)擴散，，形成發(fā)發(fā)射極電電流IE。BECNNPEBRBECIE集電結(jié)反反偏，有有少子形形成的反反向電流流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE從基區(qū)擴擴散來的的電子作作為集電電結(jié)的少少子，漂漂移進入入集電結(jié)結(jié)而被收收集，形形成ICE。IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBEICE與IBE之比稱為電電流放大倍倍數(shù)要使三極管管能放大電電流，必須須使發(fā)射結(jié)結(jié)正偏，集集電結(jié)反偏偏。BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管6.4.3特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB實驗線路一、輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：：硅管管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死區(qū)電壓，，硅管0.5V，鍺管0.2V。二、輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足足IC=IB稱為線性區(qū)區(qū)（放大區(qū)區(qū)）。當(dāng)UCE大于一定的的數(shù)值時，，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)區(qū)。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，，稱為截止止區(qū)。輸出特性三三個區(qū)域的的特點:放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏偏，集電結(jié)結(jié)反偏。即：IC=IB,且IC=IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏偏，集電結(jié)結(jié)正偏。即：UCEUBE，IB>IC，UCE0.3V(3)截止區(qū)：UBE<死區(qū)電壓，，IB=0，IC=ICEO0例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k當(dāng)USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜靜態(tài)工作點點Q位于哪個區(qū)？？當(dāng)USB=-2V時：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大飽和電電流：Q位于截止區(qū)區(qū)例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k當(dāng)USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜靜態(tài)工作點點Q位于哪個區(qū)？？IC<ICmax(=2mA)，Q位于放大區(qū)區(qū)。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB=2V時：USB=5V時:例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k當(dāng)USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜靜態(tài)工作點點Q位于哪個區(qū)？？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于飽和區(qū)區(qū)，此時IC和IB已不是倍的關(guān)關(guān)系。三、主要參參數(shù)前面的電路路中，三極極管的發(fā)射射極是輸入入輸出的公公共點，稱稱為共射接接法，相應(yīng)應(yīng)地還有共共基、共集集接法。共射直流電流放放大倍數(shù)：工作于動態(tài)態(tài)的三極管管，真正的的信號是疊疊加在直流流上的交流流信號?；鶚O電流的的變化量為為IB，相應(yīng)的集電電極電流變變化為IC，則交流電流放放大倍數(shù)為：1.電流放大倍數(shù)和

例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中