第14章半導(dǎo)體器件

第14章半導(dǎo)體器件14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?4.3二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5雙極型晶體管14.6光電器件對(duì)于元器件，學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不過(guò)于追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用。學(xué)會(huì)用工程觀點(diǎn)分析問(wèn)題，就是根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似,以便用簡(jiǎn)便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，只要能滿足技術(shù)指標(biāo),就不要過(guò)分追究精確的數(shù)值。工程上允許一定的誤差，可采用合理估算的方法。14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中的電流物質(zhì)按導(dǎo)電性能分類導(dǎo)體（＞105）絕緣體（10-22~10-14）半導(dǎo)體，是指電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。半導(dǎo)體室溫時(shí)電阻率約在10-9~102歐·米之間，溫度升高時(shí)電阻率指數(shù)則減小。如硅、鍺等，半導(dǎo)體之所以得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力受摻雜、溫度和光照的影響十分顯著。

14.1.1本征半導(dǎo)體完全純凈的、晶格完整的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的濃度要達(dá)到99.9999999%，例如硅和鍺。四價(jià)元素：在原子最外層軌道上的四個(gè)價(jià)電子。共價(jià)鍵：相鄰原子共有電子對(duì)。絕對(duì)零度（-273.15°C）時(shí)晶體中無(wú)自由電子。晶體中原子的排列方式本征半導(dǎo)體中的載流子載流子：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中獲得運(yùn)動(dòng)能量的帶電粒子。有溫度環(huán)境就有載流子。絕對(duì)零度時(shí)晶體中無(wú)自由電子。本征半導(dǎo)體中的載流子是自由電子和空穴。因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，且方向相反。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度溫度升高熱運(yùn)動(dòng)加劇載流子增多導(dǎo)電能力增強(qiáng)本征半導(dǎo)體中載流子濃度的特點(diǎn)本征半導(dǎo)體中載流子的濃度很低，導(dǎo)電性能很差。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度與溫度密切相關(guān)。本征半導(dǎo)體要點(diǎn)歸納本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。溫度越高->載流子的濃度越高->本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體分類：N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體14.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體摻入五價(jià)元素多子和少子多子由摻雜形成，取決于摻雜濃度。少子由熱激發(fā)形成，取決于溫度。問(wèn)題雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力由誰(shuí)決定？為什么用雜質(zhì)半導(dǎo)體制作器件？雜質(zhì)半導(dǎo)體多子濃度由什么決定?雜質(zhì)半導(dǎo)體少子濃度由什么決定?雜質(zhì)半導(dǎo)體歸納雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多數(shù)載流子和少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子和少子）。雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子數(shù)量取決于摻雜濃度，少子數(shù)量取決于溫度。雜質(zhì)半導(dǎo)體中起導(dǎo)電作用的主要是多子。N型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子。P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。半導(dǎo)體中的兩種電流1.漂移電流：由載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流。漂移運(yùn)動(dòng)：由電場(chǎng)力引起的載流子定向運(yùn)動(dòng)。2.擴(kuò)散電流：由載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由于載流子濃度不均勻（濃度梯度）造成的運(yùn)動(dòng)。以上2種電流的方向與載流子的方向有關(guān)?？昭娏鞯姆较蚺c運(yùn)動(dòng)方向一致。電子電流的方向與運(yùn)動(dòng)方向相反。14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的核心結(jié)構(gòu)。PN結(jié)是指使用半導(dǎo)體工藝使N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合處所形成的特殊結(jié)構(gòu)。PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的心臟。PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì)，分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移，阻止多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散和少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡PN結(jié)建立在在N型和P型半導(dǎo)體的結(jié)合處，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使空穴和電子形成不能移動(dòng)的負(fù)離子和正離子狀態(tài)。PN結(jié)稱為---空間電荷區(qū)耗盡層、阻擋層。PN結(jié)很窄（幾個(gè)到幾十個(gè)m)。PN結(jié)形成歸納空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子（P中的N中的電子）的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)推動(dòng)少子（P中的電子、N中得空穴）的漂移運(yùn)動(dòng)。P中的電子和N中的空穴（都是少子）數(shù)量有限，因此由它們形成的漂移電流很小。PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀敉饧诱螂妷?，使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大。若外加反向電壓，PN結(jié)呈高阻性，所以電流小。外加電壓使PN結(jié)中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。擴(kuò)散電流>漂移電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)<漂移運(yùn)動(dòng)在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)單向?qū)щ娦詺w納正向特性：P（+），N（-）外電場(chǎng)消弱內(nèi)電場(chǎng)，PN結(jié)電阻小，電流大，導(dǎo)通；I的大小與外加電壓有關(guān)；反向特性：P（-），N（+）外電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，PN結(jié)電阻大，反向電流很小，截止；I反的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度有關(guān)。返回PN結(jié)的伏安特性u(píng)iU(BR)0u>0，u↑→i↑正向特性反向特性|u|↑>U（BR），－反向擊穿u<0，i≈-IS，恒定不變按指數(shù)規(guī)律快速增加小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)PN結(jié)+引線+封裝=二極管。PN陽(yáng)極陰極D14.3.2伏安特性返回2.反向特性硅：Is<0.1A，鍺：Is＝幾十A。U（BR）=幾十伏uiU(BR)0UonIS20℃1.正向特性開(kāi)啟電壓Uon：正向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，才有明顯的正向電流。硅：Uon=0.5V；鍺：Uon=0.1V正向?qū)妷篣范圍： 硅：0.6~0.8V（計(jì)算時(shí)取0.7V），U=0.7鍺：0.1~0.3V（計(jì)算時(shí)取0.2V），U=0.2使用時(shí)應(yīng)加限流電阻。反向電流很小，與溫度有關(guān)；|U|

擊穿電壓，擊穿導(dǎo)通，反向電流急劇增加；EDED溫度對(duì)二極管伏安特性的影響0uiU(BR)UonIS20℃80℃原因：溫度增加，少子增加，PN結(jié)變窄，內(nèi)電場(chǎng)減弱，開(kāi)啟電壓減小，正向曲線左移。溫度增加，Uon減小，IS增加。正向曲線左移，反向曲線下移。T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移返回14.3.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2.反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。手冊(cè)上給出的URWM一般是UBR的一半。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。3.反向峰值電流（最大反向電流）IRM指二極管加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管的應(yīng)用理想二極管U>0,D導(dǎo)通；UD=0，I取決于外電路；相當(dāng)于一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)。U<0,D截止；I=0,UD(負(fù)值)取決于外電路；相當(dāng)于一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。uiO解：S斷開(kāi)時(shí)，D導(dǎo)通，RV1(6V)UO+－UD+－S閉合時(shí)，D截止，RV2(12V)UO+－例已知二極管導(dǎo)通時(shí)UD=0.7V估算S斷開(kāi)和閉合時(shí)的UO

DRSV1(6V)V2(12V)UO+－當(dāng)幾個(gè)二極管共陽(yáng)極或共陰極連接時(shí)，承受正向電壓高的二極管先導(dǎo)通。廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路門(mén)電路中。二極管的特點(diǎn)：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦远O管的應(yīng)用：開(kāi)關(guān)、箝位、隔離、檢波、整流等，大量應(yīng)用在模擬電路和數(shù)字電路。14.4穩(wěn)壓二極管反向擊穿區(qū)反向擊穿特性越抖，說(shuō)明穩(wěn)壓性能越好。返回主要參數(shù)穩(wěn)定電壓Uz

穩(wěn)壓二極管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。穩(wěn)定電流Iz、最大穩(wěn)定電流IZMIz是穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的參考電流值，對(duì)應(yīng)Uz的值,作為參考的最小電流對(duì)待。動(dòng)態(tài)電阻類似二極管的動(dòng)態(tài)電阻，反映了穩(wěn)壓區(qū)電壓變化量與電流變化量之比，rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好，一般為幾歐到幾十歐。主要參數(shù)電壓溫度系數(shù)au環(huán)境溫度每變化1°C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。溫度升高，Uz增加，正溫度系數(shù)。溫度升高，Uz減小，負(fù)溫度系數(shù)。額定功耗PZMIZM為最大穩(wěn)定電流二極管與穩(wěn)壓管的區(qū)別二極管運(yùn)用在正向區(qū)穩(wěn)壓二極管運(yùn)用在反向擊穿區(qū)

穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。R---限流電阻（保護(hù)穩(wěn)壓管）---調(diào)整電阻（當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過(guò)該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，起穩(wěn)壓作用）UODZRRL+－R---串聯(lián)在穩(wěn)壓電路中；---必不可少！

---取值合適（使穩(wěn)壓管工作在擊穿區(qū)）例：已知UZ=6V，最小穩(wěn)定電流IZmin=5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA負(fù)載電阻RL=600Ω，求限流電阻R的取值范圍UODZRRLILIRIDZ+－UI=10V解：由：得：uiO△u△iIZUZIZM14.5雙極型晶體管晶體管的結(jié)構(gòu)及類型晶體管的電流分配和放大作用晶體管的共射特性曲線晶體管的主要參數(shù)BipolarJunctionTransistor------BJT簡(jiǎn)稱晶體管或三極管雙極型器件兩種載流子（多子、少子）雙極型晶體管晶體管具有的能力電流控制（currentcontrol）電流放大（currentamplify）

E標(biāo)注箭頭，箭頭的方向表示流經(jīng)該晶體管的電流方向。PNP型晶體管和NPN型晶體管導(dǎo)電時(shí)電流方向不同返回14.5.2電流分配和放大原理放大的含義：1.放大的對(duì)象是變化量2.放大是指對(duì)能量的控制作用

輸入端輸入一個(gè)小的變化量，控制能量使輸出端產(chǎn)生一個(gè)大的變化量，能量來(lái)自電源。放大器電源uIuO晶體管放大的工作條件①內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)高摻雜(故管子e、c極不能互換)基區(qū)很薄(幾個(gè)微米)

②外部條件

發(fā)射結(jié)(eb結(jié))正偏集電結(jié)(cb結(jié))反偏

返回發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏VC>VB>VEVC<VB<VEB（P）C（N）IBIEICNPN型三極管E（N）IBIEICPNP型三極管C（P）B（N）E（P）發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB三極管的三種連接方式

共什么極是指電路的輸入端及輸出端以這個(gè)極作為公共端。①共基極接法；②共發(fā)射極接法，③共集電極接法。

注意:無(wú)論那種接法，為了使三極管具有正常的電流放大作用，必須給發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，發(fā)射區(qū)才能起到向基區(qū)注入載流子的作用；必須給集電結(jié)加反向偏置電壓（一般幾～幾十伏），在集電結(jié)才能形成較強(qiáng)的電場(chǎng)，才能把發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，并擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的載流子拉入集電區(qū)，使集電區(qū)起到收集載流子的作用。

各電極電流關(guān)系及電流放大作用設(shè)UCC=6V，改變可變電阻RB,則基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果如下表所示。(1)IE=IB+IC，符合基爾霍夫定律(2)IC>>IB，IC

IE

(3)IC>>IB把基極電流IB的微小變化能夠引起集電極電流IC較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(常用公式)14.5.3特性曲線測(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路UBE:BE節(jié)的電壓UBC:BC節(jié)的電壓UCE:晶體管的管壓降ECBiBuBE+-UCE輸入特性：發(fā)射結(jié)電壓UBE與基極電流IB的關(guān)系。輸出特性：管壓降UCE與集電極電流IC的關(guān)系。晶體管的共射特性曲線一、輸入特性曲線≥1V③UCE≥1V，曲線基本重合原因：UCE增大到一定程度，集電區(qū)收集載流子能力足夠強(qiáng)，再增加UCE，IC亦不再增加，曲線基本不變。iBuBEOECBiBuBE+-UCE=0①UCE=0，與二極管的正向特性曲線類似原因：相當(dāng)于兩個(gè)二極管并聯(lián)。0.5V②UCE增大，曲線右移原因：UCE增大，集電區(qū)收集載流子能力增強(qiáng)，IC增加，相應(yīng)地，基區(qū)復(fù)合掉的載流子數(shù)量減少，IB減少，曲線右移。開(kāi)啟電壓與導(dǎo)通電壓的概念同二極管uBEiB返回輸出特性曲線①取IB=IB2，起始部分很陡，UCE≥1V后，較平坦。原因：UCE較小時(shí)，UCE增加，集電區(qū)收集能力增強(qiáng)，使IC增強(qiáng)；UCE≥1V后，集電區(qū)收集能力足夠大，IC不再增強(qiáng)。②IB取不同的值，可得到一組曲線。原因：

相同UCE下，IB增加，IC增加，曲線上移。iCuCEECB+-uCEiC0IB=0IB1IB2IB3IB4IB5返回返回返回晶體管的三個(gè)工作區(qū)域②放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏特點(diǎn)：iC=βIB；

uCE增加，iC基本不變①截止區(qū)：發(fā)射結(jié)電壓小于開(kāi)啟電壓Uon發(fā)射結(jié)反偏。特點(diǎn)：IB=0，iC≦ICEO③飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏特點(diǎn)：uCE<uBE，iC≦βIB飽和壓降：UCE(sat)≈0.1V，iC取決于外電路。

uCEiC0IB=0IB1IB2IB3IB4IB5放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)IBiCiC=0uCEECBiCuCE=0ECB晶體管的開(kāi)關(guān)特性：T截止，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；T飽和，開(kāi)關(guān)閉合特性歸納輸入特性同二極管的正向特性UBEIB輸出特性一組曲線（一個(gè)IB對(duì)應(yīng)一條曲線）放大區(qū)：UBE>0UCE>UBE

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)C=?IB電流放大作用截止區(qū)：UBE<0IB<=0IC

0發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏飽和區(qū)：UBE>0UCE<UBE

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏I(xiàn)C與?IB無(wú)關(guān)無(wú)電流放大作用晶體管的離散性測(cè)試工具：晶體管圖示儀返回是否β越大越好呢？2.集-基極反向截止電流ICBOICBO就是發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電結(jié)的反向電流，與單個(gè)p-n結(jié)的反向飽和電流基本上相同，理想情況下都是少子的擴(kuò)散電流；只是晶體管中的ICBO一般要比單個(gè)p-n結(jié)的反向飽和電流稍大一些（因?yàn)榛鶇^(qū)寬度很窄，基區(qū)中少子的濃度梯度較大一些）。ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流，受溫度的影響大。溫度上升，ICBO增大。3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEO發(fā)射極接地、基極開(kāi)路時(shí)器件的反向電流，又稱為穿透電流。

ICEO=(1+β)ICBO由于集電結(jié)反偏，通過(guò)的電流即是很小的ICBO；又由于發(fā)射結(jié)正偏，晶體管處于放大狀態(tài)，有一定的放大作用，因此通過(guò)器件的電流就成為β×ICBO＋I(xiàn)CBO，這就是ICEO。所以，ICEO>>ICBO。

ICE