第1章半導(dǎo)體二極管和三極管

退出第一

章半導(dǎo)體二極管和三極管

PN結(jié)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體三極管本章小結(jié)退出1-1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性主要要求：

了解半導(dǎo)體材料的基本知識理解關(guān)于半導(dǎo)體的基本概念理解PN結(jié)的形成掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娮饔猛顺?/p>

半導(dǎo)體是制造電子器件的主要原料，它的廣泛應(yīng)用不是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是它的電阻率可以隨溫度、光照、雜質(zhì)等因素的不同而呈現(xiàn)顯著的區(qū)別。自然界中的物質(zhì)按導(dǎo)電性能可以分為半導(dǎo)體導(dǎo)電特性獨(dú)有的特點(diǎn)導(dǎo)體半導(dǎo)體熱敏性光敏性一、

半導(dǎo)體的特點(diǎn)絕緣體雜敏性退出

二、本征半導(dǎo)體

常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge），高純度的硅和鍺都是單晶結(jié)構(gòu)，它們的原子整齊地按一定規(guī)律排列，原子間的距離不僅很小，而且是相等的。把這種純凈的、原子結(jié)構(gòu)排列整齊的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

硅和鍺的外層價(jià)電子都是4個(gè)，所以都是4價(jià)元素，右圖是硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)示意圖。（a）鍺原子結(jié)構(gòu)（b）硅原子結(jié)構(gòu)退出這四個(gè)價(jià)電子不僅受自身原子核的束縛，還受到相鄰原子核的吸引，從而形成了共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如下圖所示：價(jià)電子（熱激發(fā)）自由電子-空穴對（1）溫度越高，自由電子-空穴對數(shù)目越多；（2）自由電子-空穴數(shù)目相等，對外不顯電性。硅（鍺）原子在晶體中的共價(jià)鍵排列復(fù)合平衡退出注意：半導(dǎo)體與導(dǎo)體不同，內(nèi)部有兩種載流子參與導(dǎo)電——自由電子與空穴。在外加電場的作用下，有：

I=In（電子電流）+Ip（空穴電流）空穴導(dǎo)電的實(shí)質(zhì)是價(jià)電子的定向移動(dòng)！退出

三、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體實(shí)際使用價(jià)值不大，但如果在本征半導(dǎo)體中摻入微量某種雜質(zhì)元素，就形成了廣泛用來制造半導(dǎo)體元器件的N型和P型半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同摻雜半導(dǎo)體可以分為N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體退出

（1）N型半導(dǎo)體——雜質(zhì)為少量5價(jià)元素，如磷（P）；（2）P型半導(dǎo)體——雜質(zhì)為少量3價(jià)元素，如硼（B）。N型磷原子自由電子自由電子——多數(shù)載流子空穴——少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)P型硼原子空穴空穴——多子自由電子——少子載流子數(shù)

空穴數(shù)退出注意：無論是N型還是P型半導(dǎo)體都是電中性，對外不顯電性！??！退出1-2

PN結(jié)什么是PN結(jié)？

PN結(jié)是P型與N型半導(dǎo)體區(qū)域交界處的特殊帶電薄層，具有特殊的單向?qū)щ娦?，是半?dǎo)體元器件制造的基礎(chǔ)單元。退出載流子濃度差復(fù)合(耗盡層)內(nèi)電場阻礙多子擴(kuò)散幫助少子漂移擴(kuò)散漂移動(dòng)態(tài)平衡

注意：動(dòng)態(tài)平衡的PN結(jié)交界面上無電流流過，即I=0。內(nèi)電場一、PN結(jié)的形成

多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)平衡PN結(jié)P區(qū)N區(qū)二、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

（1）PN結(jié)的正向?qū)ㄌ匦浴珜?dǎo)通（P區(qū)電位高于N區(qū)）內(nèi)電場外電場所以，正偏時(shí)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)幾乎減小為0，宏觀上形成很大的正向電流IF。

外電場越強(qiáng)，正向電流越大，PN結(jié)的正向電阻越小。P區(qū)N區(qū)多子空穴多子自由電子正向電流IF+ER退出

+UR二、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

（2）PN結(jié)的反向截止特性——反偏截止（P區(qū)電位低于N區(qū)）P區(qū)N區(qū)少子自由電子少子空穴反向電流IR內(nèi)電場外電場所以，反偏時(shí)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)幾乎減小為0，由于少子數(shù)目較少，宏觀上形成極小的反向電流IR（接近于0）。

外電場增強(qiáng)，反向電流也幾乎不增加，PN結(jié)的反向電阻很大。退出要記?。海?）外加正向電壓時(shí)PN結(jié)的正向電阻很小，電流較大，是多子擴(kuò)散形成的；

（2）外加反向電壓時(shí)PN結(jié)的反向電阻很大，電流極小，是少子漂移形成的。要注意：

PN結(jié)電路中要串聯(lián)限流電阻。退出退出1-3

半導(dǎo)體二極管主要要求：

了解半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、類型、特性與參數(shù)掌握半導(dǎo)體二極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用退出一、二極管的結(jié)構(gòu)一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的外引線，然后用外殼封裝就成為最簡單的二極管了，其中，從P區(qū)引出的引線叫做陽極或正極、從N區(qū)引出的引線叫做陰極或負(fù)極。常用D（Diode）表示二極管。

圖中的箭頭表示正偏時(shí)的正向電流方向。退出分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型點(diǎn)接觸型金屬觸絲N型鍺P型層陽極陰極

面接觸型P型擴(kuò)散層錫支架N型硅SiO2保護(hù)層陰極陽極二、二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的內(nèi)部就是一個(gè)PN結(jié)，因此二極管具有和PN結(jié)相同的單向?qū)щ娦?，?shí)際的二極管伏安特性曲線如下圖所示：u/Vi/mA正向特性死區(qū)電壓反向特性IS0μA擊穿電壓擊穿特性反向電流硅管2CP12鍺管2AP9退出一般小功率硅二極管與鍺二極管幾個(gè)典型參數(shù)的比較：死區(qū)電壓硅管——0.5V鍺管——0.1V正向?qū)▔航礥F硅管——0.7V鍺管——0.3V反向電流IR硅管——幾μA以下鍺管——幾十到幾百μA退出

PN結(jié)的正向和反向電流與外加電壓的關(guān)系可以用公式表示為：反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量，常溫下：

UT

=26mV當(dāng)U>0時(shí)為正向特性；當(dāng)U<0時(shí)為反向特性。退出三、二極管的主要參數(shù)

（1）最大整流電流IF——指二極管長期工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流值。（2）最高反向工作電壓URM——指二極管不擊穿時(shí)所允許加的最高反向電壓，URM通常是反向擊穿電壓的一半，以確保二極管安全工作。（3）最大反向電流IR——在常溫下承受最高反向工作電壓URM時(shí)的反向漏電流，一般很小，但受溫度影響很大。（4）最高工作頻率——指二極管保持單向?qū)щ娦詴r(shí)外加電壓的最高頻率。退出四、半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用舉例二極管是電子電路中常用的半導(dǎo)體器件，利用其單向?qū)щ娦院驼驂航岛苄〉奶攸c(diǎn)，可應(yīng)用于整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)以及元件保護(hù)等各項(xiàng)工作。

1.整流——整流就是利用二極管的單向?qū)щ娞匦詫⒔涣麟娮兂蓡畏较蛎}動(dòng)的直流電的過程，這部分內(nèi)容將在第6章作詳細(xì)介紹。

2.檢波

退出

3.限幅

——利用二極管正向?qū)ê髢啥穗妷汉苄∏一静蛔兊奶匦钥梢詷?gòu)成各種限幅電路，使輸出電壓限制在某一電壓值以內(nèi)。下圖為一正、負(fù)對稱限幅電路:ui=10sinωt（V），US1=US2=5V。可見，如忽略二極管正向?qū)▔航?，輸出被限制在大約±5V之間。-10ui

/VOt105-5退出

4.鉗位與隔離

——利用二極管正向?qū)〞r(shí)壓降很小的特性，可以組成鉗位電路，如下圖所示。圖中若A點(diǎn)UA=0，二極管D正偏導(dǎo)通，壓降很小，所以F點(diǎn)的電位也被鉗制在0V左右，即UF近似為0。退出

5.元件保護(hù)

——在電子線路中，經(jīng)常利用二極管來保護(hù)其他元器件免受過高電壓的損害。下圖所示電路是利用二極管來保護(hù)開關(guān)S的保護(hù)電路。

當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，由于電流的突然中斷，電感L將產(chǎn)生一個(gè)高于電源電壓很多倍的自感電動(dòng)勢eL，

eL與U疊加作用于開關(guān)S上，使開關(guān)S的壽命縮短。二極管D的接入，使eL通過二極管產(chǎn)生放電電流以釋放能量，從而保護(hù)了開關(guān)S。退出

除以上用途外，還有許多特殊結(jié)構(gòu)的二極管，例如發(fā)光二極管、熱敏二極管等，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，二極管的應(yīng)用范圍越來越廣，其中發(fā)光二極管是應(yīng)用較多的一種二極管。

不同用途、結(jié)構(gòu)的二極管普通二極管整流二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管光電二極管檢波二極管等等……退出發(fā)光二極管及其應(yīng)用

1.發(fā)光二極管的符號及特性

發(fā)光二極管是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件，簡稱LED（LightEmittingDiode）。和普通二極管相似，LED也是由一個(gè)PN結(jié)組成的，當(dāng)正向?qū)〞r(shí)可以發(fā)出一定波長的可見光，常有紅、綠、黃等顏色。也有可以發(fā)出紅外光等不可見光的發(fā)光二極管。退出

發(fā)光二極管具有驅(qū)動(dòng)電壓低、工作電流小、具有很強(qiáng)的抗振動(dòng)和抗沖擊能力、體積小、可靠性高、耗電省和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于信號指示等電路中。

一般LED的工作電流為幾十mA，正向?qū)▔航禐椋?2)V，安全使用電壓應(yīng)選擇5V以下。退出

2.發(fā)光二極管的應(yīng)用

（1）做電源通斷指示電路。

但要保證LED的正向工作電流在規(guī)定的范圍之內(nèi)，具體型號LED的工作電流可查閱手冊等資料。供電電源可以是直流也可以是交流退出（2）發(fā)光數(shù)碼管。——發(fā)光數(shù)碼管是電子技術(shù)中的主要顯示器件，常用的七段顯示數(shù)碼管是用LED經(jīng)過一定的排列組成的，如圖所示。

14退出七段顯示數(shù)碼管有共陽極和共陰極之分，如下圖所示。

共陽極LED分布

共陰極LED分布退出退出1-5

半導(dǎo)體三極管主要要求：

了解半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)、類型與參數(shù)掌握半導(dǎo)體三極管的電流分配關(guān)系掌握半導(dǎo)體三極管的特性曲線的含義理解三極管的放大作用了解復(fù)合三極管的概念與意義退出一、

三極管的結(jié)構(gòu)NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)NPN型ECB

三區(qū)三極兩結(jié)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電極

Collector基極Base發(fā)射極Emitter集電結(jié)發(fā)射結(jié)—集電區(qū)—發(fā)射區(qū)PPNPNP型退出三極管的分類按材料分按頻率特性分按功率分硅管鍺管高頻管低頻管大功率管中功率管小功率管按結(jié)構(gòu)分NPN管PNP管退出下面以NPN管為例討論三極管的電流分配與放大作用，所得結(jié)論一樣適用于PNP三極管。二、三極管的電流分配和放大作用注意：三極管放大的條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大外部條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏退出使發(fā)射結(jié)正偏使集電結(jié)反偏1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流IE的主要成份。IE2.基區(qū)中電子的復(fù)合形成基極電流IB的主要成份。IB3.集電區(qū)收集電子形成集電極電流IC的主要成份。IC退出綜上所述，得到三極管的電流分配關(guān)系：（1）IE=IC+IB（2）IC=βIB（3）IE=IC+IB=（1+β

）IB≈IC

三極管中還有一些少子電流，比如ICBO

，通?？梢院雎圆挥?jì)，但它們對溫度十分敏感。退出1.3.3晶體管的特性曲線

因?yàn)槿龢O管有三個(gè)電極，因此，分別將三極管的三個(gè)電極作為輸入端、輸出端和公共端，有三種不同的三極管電路的組成方式。根據(jù)公共電極的不同，分別叫做共發(fā)射極電路、共集電極電路和共基極電路。退出

下圖是測試三極管共發(fā)射極電路伏安特性曲線的電路圖：退出

1.輸入特性曲線

uCE≧1V，集電結(jié)反偏，電場足以將發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的載流子吸收到集電區(qū)形成IC，uCE

再增大曲線也幾乎不變死區(qū)電壓與導(dǎo)通電壓UBE硅管分別約為0.5V和0.7V鍺管分別約為0.1V和0.3V（1）截止區(qū)——iB=0曲線以下的區(qū)域：

iC=ICEO≈

0，兩結(jié)均反偏，三極管各電極電流均約等于0，所以可以等效為斷開的開關(guān)；退出

2.輸出特性曲線

放大區(qū)截止區(qū)ICEO飽和區(qū)（2）放大區(qū)——在iB=0的特性曲線上方，近似平行于橫軸的曲線族部分：

iC基本不隨uCE變化僅受iB控制，iC=βiB，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，相當(dāng)于受控電流源。

uCE

/ViC

/mA100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O246810252015105（3）飽和區(qū)——輸出特性曲線近似直線上升部分：三極管飽和時(shí)管壓降uCE很小，叫做飽和壓降uCES，兩結(jié)均正偏，相當(dāng)于閉合開關(guān)。

退出1.3.4晶體管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)

交流、直流電流放大系數(shù)的意義不同，但在輸出特性線性良好的情況下，兩個(gè)數(shù)值的差別很小，一般不作嚴(yán)格區(qū)分。常用小功率三極管的β約為20~150左右。

退出2.極間反向電流集、基間反向飽和電流集、射間反向飽和電流（穿透電流）測試電路測試電路反向電流受溫度影響大越小越好退出

3.極限參數(shù)

集電極最大允許電流反向擊穿電壓集電極最大允許耗散功率集電極電流超過一定數(shù)值時(shí)β要下降擊穿時(shí)三極管電流急劇增大，會使三極管損壞功耗過高會燒毀三極管退出1.3.5復(fù)合晶體管

復(fù)合三極管是把兩個(gè)三極管的引腳適當(dāng)?shù)剡B接起來等效為一個(gè)三極管，從而獲得對電流放大系數(shù)等參數(shù)的改變。退出可以證明：復(fù)合管的電流放大系數(shù)近似為兩個(gè)管子電流放大系數(shù)的乘積，但復(fù)合管的穿透電流也較大。退出1.4

場效應(yīng)管主要要求：

了解場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)了解場效應(yīng)管的原理、特性曲線與參數(shù)場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體三極管，是利用一種載流子導(dǎo)電的單極型器件。特點(diǎn)：具有輸入電阻高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、耗電省等優(yōu)點(diǎn)，制作工藝簡單、便于集成。退出

1.N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管MOSFET的結(jié)構(gòu)

(MentalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)1.4.1

絕緣柵場效應(yīng)晶體管的原理和特性P型硅襯底S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainDSGSiO2絕緣體金屬鋁N溝道DGS還有多種其他類型的場效應(yīng)管，