第十四章 半導(dǎo)體器件

1電工學(xué)下冊(cè)電子技術(shù)電控學(xué)院袁海英2模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)平時(shí)成績(jī):30％期末考試:70％總學(xué)時(shí)：80學(xué)時(shí)理論課＋實(shí)驗(yàn)課3第十四章二極管和晶體管14.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)14.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管14.3穩(wěn)壓管14.4晶體管(半導(dǎo)體三極管)14.5光電器件4本章要求1.掌握二極管、穩(wěn)壓管、三極管的工作原理、伏安特性、特性曲線及主要參數(shù)。掌握二極管、三極管的應(yīng)用方法。2.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；3.了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造。5主要內(nèi)容重點(diǎn):掌握二極管、穩(wěn)壓管、三極管的伏安特性及主要參數(shù)。掌握二極管、三極管的應(yīng)用方法二極管

三極管

穩(wěn)壓管6§14.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)14.1.1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中容易導(dǎo)電的物質(zhì)（大多數(shù)金屬）。絕緣體：幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)（橡皮、陶瓷、塑料和石英）。半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)（鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物）。7

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，其導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)改善其導(dǎo)電性。-------熱敏性和光敏性-------摻雜性8常見半導(dǎo)體硅(Si)和鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)中,最外層電子都是四個(gè),稱為“四價(jià)半導(dǎo)體”。

GeSi價(jià)電子價(jià)電子價(jià)電子：原子結(jié)構(gòu)圖中，最外層的電子。9本征半導(dǎo)體：完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健

Si

Si

Si

Si價(jià)電子14.1.2本征半導(dǎo)體鄰近的兩個(gè)原子各出一個(gè)價(jià)電子，構(gòu)成共價(jià)鍵。10共價(jià)鍵共用電子對(duì)硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)SiSiSiSi共價(jià)鍵中，兩個(gè)價(jià)電子被緊緊束縛,熱力學(xué)溫度零度（T=0K,-273oC）下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子。結(jié)論：本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，導(dǎo)電能力很弱。電子？?jī)r(jià)電子？自由電子？11SiSiSiSi本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理空穴

價(jià)電子獲得能量（溫升或光照）后，掙脫原子核束縛，成為自由電子（－），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，成為空穴（＋）。本征激發(fā)現(xiàn)象價(jià)電子自由電子12SiSiSiSi現(xiàn)象：外電場(chǎng)作用下，空穴吸引臨近的價(jià)電子來填補(bǔ)。過程：自由電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生，同時(shí)又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中維持一定數(shù)目的載流子。結(jié)果：相當(dāng)于空穴的遷移（正電荷的移動(dòng)）結(jié)論：空穴也是載流子！13本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴

溫度載流子數(shù)目半導(dǎo)體導(dǎo)電性。

溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大！本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目少,導(dǎo)電性能差。兩端外加電壓時(shí)，出現(xiàn)兩部分電流：

自由電子作定向運(yùn)動(dòng)電子電流價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流1414.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻入雜質(zhì)（三價(jià)或五價(jià)微量元素）的本征半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)使半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加改善半導(dǎo)體的導(dǎo)電性15

N型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體）：摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）使自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體（空穴半導(dǎo)體）：摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）使空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。兩類半導(dǎo)體16SiSiP+SiN型半導(dǎo)體多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中，自由電子是多子，主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少子,

由熱激發(fā)形成。磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子：四個(gè)與相臨的硅原子形成共價(jià)鍵；多出一個(gè)電子幾乎不受束縛，易被激發(fā)成為自由電子。摻入五價(jià)元素每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。摻雜后自由電子數(shù)目猛增主要導(dǎo)電方式：自由電子導(dǎo)電

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)椴荒芤苿?dòng)的正離子N型半導(dǎo)體18N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1、由雜質(zhì)原子提供的自由電子，濃度與雜質(zhì)原子相同。2、本征半導(dǎo)體中由熱激發(fā)成對(duì)產(chǎn)生電子和空穴。3、摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度。自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多子，空穴稱為少子。小結(jié)一下硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴，可能吸引束縛電子來填補(bǔ)。摻入三價(jià)元素

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)椴荒芤苿?dòng)的負(fù)離子空穴P型半導(dǎo)體無論N型或P型半導(dǎo)體均呈中性，對(duì)外不呈電性。20SiSiB-Si空穴P型半導(dǎo)體硼原子硼原子接受電子，稱為受主原子。摻雜后空穴數(shù)目猛增。主要導(dǎo)電方式：空穴導(dǎo)電。P型半導(dǎo)體中，空穴是多子，主要由雜質(zhì)原子提供；自由電子是少子,

由熱激發(fā)形成。21雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體221.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba練一練23§14.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管14.2.1PN結(jié)的形成PN

空間電荷區(qū)PN

內(nèi)電場(chǎng)方向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)空穴自由電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)（PN結(jié)）。24多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)濃度差形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)14.2.1PN結(jié)形成內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)（PN結(jié)）。25內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)+++－－－－PN14.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?變薄PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)導(dǎo)通。內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。

P接正、N接負(fù)(1)PN結(jié)外加正向電壓(正偏):外加電壓使P區(qū)電位高于N區(qū)電位；

26內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)+++－－－－+PN(2)PN結(jié)外加反向電壓(反偏):外加電壓使P區(qū)電位低于N區(qū)電位；

++++－－－－變寬PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)截止。內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多子擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但有限的少子只能形成較小的反向電流。

P接負(fù)、N接正

271.PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流：PN結(jié)導(dǎo)通。結(jié)論2.PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流：PN結(jié)截止。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?2814.2.3半導(dǎo)體二極管1.基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，構(gòu)成半導(dǎo)體二極管。PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。29二極管符號(hào)PN(陽極)(陰極)陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓UBR導(dǎo)通壓降UD

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3V死區(qū)電壓UTPN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。2.二極管伏安特性UI313.主要參數(shù)(1)最大整流電流IOM(2)反向擊穿電壓UBR(4)反向峰值電流IRM允許流過二極管的最大正向平均電流.(3)反向工作峰值電壓URWM：約（1/2~1/3）UBR32iDvDIDVDQiDvD二極管特性曲線工作點(diǎn)Q附近電壓變化與電流變化之比：rD是對(duì)Q附近的微小變化量的電阻。（5）微變電阻rD331.考慮正向壓降的等效電路0uDiD(a)UD考慮正向壓降的等效電路(a)特性曲線的近似(b)等效電路2.理想二極管等效電路理想二極管等效電路(a)特性曲線的近似(b)等效電路（一）等效電路4.二極管的等效電路及應(yīng)用UPN>UT;D導(dǎo)通；UPN=UD。UPN≤UT;D截至；UPN開路。UPN>0V;D導(dǎo)通；UPN=0V。UPN≤0V;D截至；UPN開路。(b)KUDPN34RLuiuouiuott（二）二極管的應(yīng)用(單向?qū)щ娦?1.二極管半波整流整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取?5二極管的單向?qū)щ娦裕?）正偏時(shí)導(dǎo)通，正向電阻較小，正向電流較大。（2）反偏時(shí)截止，反向電阻較大，反向電流很小。（3）外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。?）二極管的反向電流受溫度影響，溫度愈高反向電流愈大。362.二極管電路分析定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。理想二極管：正向?qū)?，管壓降為?短路

反向截止，開關(guān)斷開-開路37例1.電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通忽略管壓降，二極管視為短路，UAB=－6V；否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

此處，二極管起鉗位作用。

D6V12V3kBAUAB+–38ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路，

uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路，uo=ui例2.

已知理想二極管，試畫出uo波形。8Vui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––39兩個(gè)二極管的陰極相連，取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。忽略管壓降，二極管視為短路，UAB

=0VD1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流:例3

.求UAB。BD16V12V3kAD2UAB+–D2起鉗位作用，D1起隔離作用。14.3穩(wěn)壓二極管1.符號(hào)

UZIZIZMUZIZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓穩(wěn)壓管在電路中的穩(wěn)壓作用：穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小。_+UIO41（4）穩(wěn)定電流IZ最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）電壓溫度系數(shù)(U%/℃)（3）動(dòng)態(tài)電阻

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。42+_+_穩(wěn)壓電路▲正常穩(wěn)壓時(shí):▲穩(wěn)壓條件:▲必須加限流電阻4314.4半導(dǎo)體三極管14.4.1

基本結(jié)構(gòu)晶體管的結(jié)構(gòu)(a)平面型；(b)合金型BEP型硅N型硅二氧化碳保護(hù)膜銦球N型鍺N型硅CBECPP銦球(a)(b)44半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)圖。兩類:NPN型和PNP型。NPN 型PNP 型NPN型符號(hào)PNP型符號(hào)

發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極，用C或c表示（Collector）。

基極，用B或b表示（Base）45基區(qū)：最薄、摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)集電區(qū)：結(jié)面積最大14.4.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNP發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

EBRBECRC

三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。47BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE

集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO2.內(nèi)部載流子的傳輸過程VC>VB>VEECEB＞

發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE48IC=ICE+ICBOICEICIBBENNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度ICEO若IB=0,則

ICICE0C49電流為三極管電流的實(shí)際方向電流關(guān)系：+UBE

ICIEIB

CTEB+UCENPN型三極管+UBE

IBIEICCTEB+UCEPNP型三極管測(cè)量數(shù)據(jù)IE=IC+IB;IE≈IC>>IB

14.4.3特性曲線特性曲線:管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映晶體管性能，是分析放大電路的依據(jù)。

研究特性曲線(1)直觀地分析管子的工作狀態(tài);(2)合理地選擇偏置電路的參數(shù),設(shè)計(jì)性能良好的電路;?51mAAVVICECIBRB+UBE+UCEEBCEB3DG100

共發(fā)射極接法特性曲線實(shí)驗(yàn)電路輸入回路輸出回路

發(fā)射極是輸入、輸出回路的公共端

共發(fā)射極電路1.

輸入特性正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓：

NPN型硅管：UBE0.6~0.7VPNP型鍺管：UBE0.2~0.3V3DG100晶體管的輸入特性曲線O0.40.8IB/AUBE/VUCE≥1V60402080死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。非線性！2.輸出特性

共發(fā)射極電路ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEBIC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=03DG100晶體管的輸出特性曲線在不同的IB下得出不同的曲線，晶體管的輸出特性曲線是一簇曲線。輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū)對(duì)應(yīng)晶體管的三種工作狀態(tài)3DG100晶體管的輸出特性曲線IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大區(qū)（線性區(qū)）放大區(qū)：IC=IB，恒流特性。放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)處于反偏，晶體管工作于放大狀態(tài)。Q2Q1大放區(qū)2.輸出特性IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(2)截止區(qū)截止時(shí),集電結(jié)也處于反偏(UBC<

0)：IC0,UCEUCC。截止區(qū)：IB=0曲線以下區(qū)域。IB=0時(shí),IC=ICEO(很小，ICEO<0.001mA)。截止區(qū)IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(3)飽和區(qū)飽和區(qū)：IBIC，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏。

深度飽和時(shí)：硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。

IC

UCC/RC。當(dāng)UCE<UBE時(shí)，集電結(jié)正偏(UBC>0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。飽和區(qū)57晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流(a)放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+(b)截止IC0IB=0+UCEUCC

UBC<0++UBE

0

(c)飽和+UBE>

0

IB+UCE0

UBC>0+晶體管飽和時(shí)，UCE0，集射間如開關(guān)接通，電阻很??；晶體管截止時(shí)，IC0，集射間如開關(guān)斷開，電阻很大。晶體管具有放大作用、開關(guān)作用！58

0

0.10.5

0.1

0.6~0.70.2~0.3

0.30.1

0.7

0.3硅管(NPN)鍺管(PNP)

可靠截止開始截止

UBE/V

UBE/VUCE/VUBE/V

截止

放大

飽和

工作狀態(tài)

管型晶體管結(jié)電壓的典型值59工作于動(dòng)態(tài)的三極管，工作信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)。基極電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC。1.電流放大倍數(shù)

和共射接法直流電流放大倍數(shù)：BCII=b交流電流放大倍數(shù)：BIICDD=b14.5.4主要參數(shù)反映晶體管特性，是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。60例：在UCE=6V時(shí)，在Q1點(diǎn)IB=40A，IC=1.5mA；

在Q2點(diǎn)IB=60A，IC=2.3mA。計(jì)算中近似為：IB=020A40A60A80A100A36IC/mA1234UCE/V9120Q1Q2

Q1點(diǎn)：由Q1和Q2點(diǎn)，得612.集-基極反向截止電流ICBOAICBOBECICBO是集電結(jié)反偏由少子漂移形成的反向電流，受溫度影響大。溫度ICBO623.集-射極反向截止電流ICEOAICEOBEC

ICE