半導(dǎo)體及其常用器件課件

第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第7章基本放大電路第8章集成運(yùn)算放大器第9章組合邏輯電路第10章觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路第11章存儲(chǔ)器第12章數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器第一篇第二篇電子技術(shù)基礎(chǔ)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)第6章半導(dǎo)體及其常用器件6.2半導(dǎo)體二極管6.3特殊二極管6.4雙極型三極管6.5單極型三極管學(xué)習(xí)目的與要求了解本征半導(dǎo)體、P型和N型半導(dǎo)體的特征；了解PN結(jié)的形成過(guò)程；熟悉二極管的伏安特性及其種類(lèi)、用途；深刻理解晶體管的電流放大原理，掌握晶體管的輸入和輸出特性；了解場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，初步掌握工程技術(shù)人員必需具備的分析電子電路的基本理論、基本知識(shí)和基本技能。2.本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)本征半導(dǎo)體

最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價(jià)元素，即每個(gè)原子最外層電子數(shù)為4個(gè)。++Si(硅原子)Ge(鍺原子)硅原子和鍺原子的簡(jiǎn)化模型圖Si+4Ge+4因?yàn)樵映孰娭行裕院?jiǎn)化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號(hào)表示即可。天然的硅和鍺是不能制作成半導(dǎo)體器件的。它們必須先經(jīng)過(guò)高度提純，形成晶格結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)的本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體原子核最外層的價(jià)電子都是4個(gè)，稱(chēng)為四價(jià)元素，它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu)。在本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子均與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合，即與相鄰四個(gè)原子的價(jià)電子兩兩組成電子對(duì)，構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4實(shí)際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的。晶格結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4從共價(jià)鍵晶格結(jié)構(gòu)來(lái)看，每個(gè)原子外層都具有8個(gè)價(jià)電子。但價(jià)電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。在游離走的價(jià)電子原位上留下一個(gè)不能移動(dòng)的空位，叫空穴。受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中價(jià)電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，一些價(jià)電子會(huì)掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對(duì)的現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)。本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，由此本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。由于共價(jià)鍵是定域的，這些帶正電的離子不會(huì)移動(dòng)，即不能參與導(dǎo)電，成為晶體中固定不動(dòng)的帶正電離子。＋＋

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理有本質(zhì)上的區(qū)別：金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中則是本征激發(fā)下的自由電子和復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的空穴兩種載流子同時(shí)參與導(dǎo)電。兩種載流子電量相等、符號(hào)相反，即自由電子載流子和空穴載流子的運(yùn)動(dòng)方向相反。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4自由電子載流子運(yùn)動(dòng)可以形容為沒(méi)有座位人的移動(dòng)；空穴載流子運(yùn)動(dòng)則可形容為有座位的人依次向前挪動(dòng)座位的運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運(yùn)動(dòng)總是共存的，且在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理(2)雜質(zhì)半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)量極少導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入某種元素的微量雜質(zhì)，將使摻雜后的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。+五價(jià)元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。

在室溫情況下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級(jí)時(shí)，電子載流子的數(shù)目將增加幾十萬(wàn)倍。摻入五價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體由于自由電子多而稱(chēng)為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三價(jià)元素硼(B)B+摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可增強(qiáng)幾十萬(wàn)倍。

摻入三價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子，而不能移動(dòng)的離子帶負(fù)電。－3.PN結(jié)及其形成過(guò)程PN結(jié)的形成

雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體極大增強(qiáng)，但它們并不能稱(chēng)為半導(dǎo)體器件。在電子技術(shù)中，PN結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的“元概念”和技術(shù)起始點(diǎn)。在一塊晶片的兩端分別注入三價(jià)元素硼和五價(jià)元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)動(dòng)畫(huà)演示PN結(jié)形成的過(guò)程中，多數(shù)載流子的擴(kuò)散和少數(shù)載流子的漂移共存。開(kāi)始時(shí)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使PN結(jié)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)；另一方面，內(nèi)電場(chǎng)又促使了少子的漂移運(yùn)動(dòng)：P區(qū)的少子電子向N區(qū)漂移，補(bǔ)充了交界面上N區(qū)失去的電子，同時(shí)，N區(qū)的少子空穴向P區(qū)漂移，補(bǔ)充了原交界面上P區(qū)失去的空穴，顯然漂移運(yùn)動(dòng)減少了空間電荷區(qū)帶電離子的數(shù)量，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，使PN結(jié)變窄。最后，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定，即PN結(jié)形成。PN結(jié)內(nèi)部載流子基本為零，因此導(dǎo)電率很低，相當(dāng)于介質(zhì)。但PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)導(dǎo)電率很高，相當(dāng)于導(dǎo)體，這一點(diǎn)和電容比較相似，所以說(shuō)PN結(jié)具有電容效應(yīng)。PN結(jié)反向偏置時(shí)的情況PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的上述“正向?qū)?，反向阻斷”作用，說(shuō)明它具有單向?qū)щ娦裕琍N結(jié)的單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

由于常溫下少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而且當(dāng)外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又稱(chēng)為反向飽和電流。反向飽和電流由于很小一般可以忽略，從這一點(diǎn)來(lái)看，PN結(jié)對(duì)反向電流呈高阻狀態(tài)，也就是所謂的反向阻斷作用。

值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導(dǎo)致電子—空穴對(duì)增多，因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增長(zhǎng)。反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一，因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題。PN結(jié)中反向電流的討論2.半導(dǎo)體受溫度和光照影響，產(chǎn)生本征激發(fā)現(xiàn)象而出現(xiàn)電子、空穴對(duì)；同時(shí)，其它價(jià)電子又不斷地“轉(zhuǎn)移跳進(jìn)”本征激發(fā)出現(xiàn)的空穴中，產(chǎn)生價(jià)電子與空穴的復(fù)合。在一定溫度下，電子、空穴對(duì)的激發(fā)和復(fù)合最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體中的載流子濃度一定，即反向電流的數(shù)值基本不發(fā)生變化。1.半導(dǎo)體中少子的濃度雖然很低，但少子對(duì)溫度非常敏感，因此溫度對(duì)半導(dǎo)體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的摻雜濃度，所以說(shuō)多子的數(shù)量基本上不受溫度的影響。4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵福篜N結(jié)的正向電阻很小，因此正向偏置時(shí)多子構(gòu)成的擴(kuò)散電流極易通過(guò)PN結(jié)；同時(shí)PN結(jié)的反向電阻很大，因此反向偏置時(shí)基本上可以認(rèn)為電流無(wú)法通過(guò)PN結(jié)。3.空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指其內(nèi)電場(chǎng)阻礙多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的作用，由于這種阻礙作用，使得擴(kuò)散電流難以通過(guò)空間電荷區(qū)，即空間電荷區(qū)對(duì)擴(kuò)散電流呈現(xiàn)高阻作用。學(xué)習(xí)與歸納當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高，阻擋層又很薄時(shí)，阻擋層內(nèi)載流子與中性原子碰撞的機(jī)會(huì)大為減少，因而不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿。(2)齊納擊穿當(dāng)PN結(jié)非常薄時(shí)，即使在阻擋層兩端加的反向電壓不太大，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較強(qiáng)的內(nèi)電場(chǎng)。這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)足以把PN結(jié)內(nèi)中性原子的價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來(lái)，產(chǎn)生出大量的電子—空穴對(duì)，使PN結(jié)反向電流劇增，這種反向擊穿現(xiàn)象稱(chēng)為齊納擊穿齊納擊穿。可見(jiàn)，齊納擊穿發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，一般小于5V。雪崩擊穿是一種碰撞的擊穿，齊納擊穿是一種場(chǎng)效應(yīng)擊穿，二者均屬于電擊穿。電擊穿過(guò)程通?？赡?，即PN結(jié)兩端的反向電壓降低后，PN結(jié)仍可恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。利用電擊穿時(shí)PN結(jié)兩端電壓變化很小電流變化很大的特點(diǎn)，人們制造出工作在反向擊穿區(qū)的穩(wěn)壓管。當(dāng)PN結(jié)兩端加的反向電壓過(guò)高時(shí)，反向電流會(huì)繼續(xù)急劇增長(zhǎng)，PN結(jié)上熱量不斷積累，引起結(jié)溫升高，載流子增多，反向電流一直增大下去，結(jié)溫一再持續(xù)升高循環(huán)，超過(guò)其容許值時(shí)，PN結(jié)就會(huì)發(fā)生熱擊穿而永久損壞。熱擊穿的過(guò)程是不可逆的，所以應(yīng)盡量避免發(fā)生。(3)熱擊穿能否說(shuō)出PN結(jié)有何特性？半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體有何不同？什么是本征激發(fā)？什么是復(fù)合？少數(shù)載流子和多數(shù)載流子是如何產(chǎn)生的

？試述雪崩擊穿和齊納擊穿的特點(diǎn)。這兩種擊穿能否造成PN結(jié)的永久損壞

？想想練練

空間電荷區(qū)的電阻率為什么很高？6.2半導(dǎo)體二極管把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個(gè)電極，即可構(gòu)成一個(gè)二極管。二極管是電子技術(shù)中最基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開(kāi)關(guān)管、穩(wěn)壓管和整流管等。硅高頻檢波管開(kāi)關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管電子工程實(shí)際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類(lèi)二極管的部分產(chǎn)品實(shí)物圖。2.二極管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(A)4020二極管的伏安特性是指流過(guò)二極管的電流與兩端所加電壓的函數(shù)關(guān)系。二極管既然是一個(gè)PN結(jié)，其伏安特性當(dāng)然具有“單向?qū)щ娦浴薄６O管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個(gè)區(qū)：外加正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓(硅管0.5V，鍺管0.1V)時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)大大削弱，正向電流迅速增長(zhǎng)，二極管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū)。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，由于外電場(chǎng)還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱(chēng)之為死區(qū)。外加反向電壓超過(guò)反向擊穿電壓UBR時(shí)，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進(jìn)入反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)的討論U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(A)4020死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，二極管由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，電壓再繼續(xù)增加時(shí)，電流迅速增大，而二極管端電壓卻幾乎不變，此時(shí)二極管端電壓稱(chēng)為正向?qū)妷骸?/p>

硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管的正向?qū)妷杭s為0.3V。在二極管兩端加反向電壓時(shí)，將有很小的、由少子漂移運(yùn)動(dòng)形成的反向飽和電流通過(guò)二極管。反向電流有兩個(gè)特點(diǎn)：一是它隨溫度的上升增長(zhǎng)很快，二是在反向電壓不超過(guò)某一范圍時(shí)，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓的高低無(wú)關(guān)(與少子的數(shù)量有限)。所以通常稱(chēng)它為反向飽和電流。3.二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IDM：指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定。（2）最高反向工作電壓URM：指二極管長(zhǎng)期安全運(yùn)行時(shí)所能承受的最大反向電壓值。手冊(cè)上一般取擊穿電壓的一半作為最高反射工作電壓值。（3）反向電流IR：指二極管未擊穿時(shí)的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩７聪螂娏麟S溫度的變化而變化較大，這一點(diǎn)要特別加以注意。（4）最大工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過(guò)該值，則二極管的單向?qū)щ娦詫⒆儾睢?2)二極管的整流作用

將交流電變成單方向脈動(dòng)直流電的過(guò)程稱(chēng)為整流。利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。二極管半波整流電路二極管全波整流電路橋式整流電路簡(jiǎn)化圖B220V~RLDIN4001B220V~RLD1D2二極管橋式整流電路D4B220V~RLD1D2D3B220V~RL(3)二極管的限幅作用+－DuS10KΩ

IN4148+－u0iD圖示為一限幅電路。電源uS是一個(gè)周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。分析uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓ui=－5V時(shí)，二極管反偏截止，此時(shí)電路可視為開(kāi)路，輸出電壓u0=0V；當(dāng)輸入電壓ui=+5V時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0≈+5V。顯然輸出電壓u0限幅在0~+5V之間。u0半導(dǎo)體二極管工作在擊穿區(qū)，是否一定被損壞？為什么？

你會(huì)做嗎？何謂死區(qū)電壓？硅管和鍺管死區(qū)電壓的典型值各為多少？為何會(huì)出現(xiàn)死區(qū)電壓？

把一個(gè)1.5V的干電池直接正向聯(lián)接到二極管的兩端，會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？二極管的伏安特性曲線上分為幾個(gè)區(qū)？能否說(shuō)明二極管工作在各個(gè)區(qū)時(shí)的電壓、電流情況？

檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果為什么二極管的反向電流很小且具有飽和性？當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)又會(huì)明顯增大

？I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化、這就是穩(wěn)壓二極管的顯著特性。D穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其反向擊穿可逆。正向特性與普通二極管相似反向ΔIZΔUZ6.3特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管實(shí)物圖圖符號(hào)及文字符號(hào)顯然穩(wěn)壓管的伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭。+US－DZ使用穩(wěn)壓二極管時(shí)應(yīng)該注意的事項(xiàng)(1)穩(wěn)壓二極管正負(fù)極的判別DZ+－(2)穩(wěn)壓二極管使用時(shí)，應(yīng)反向接入電路UZ－(3)穩(wěn)壓管應(yīng)接入限流電阻(4)電源電壓應(yīng)高于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值(5)穩(wěn)壓管都是硅管。其穩(wěn)定電壓UZ最低為3V，高的可達(dá)300V，穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)的正向壓降約為0.6V。思索與回顧二極管的反向擊穿特性：當(dāng)外加反向電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)，通過(guò)二極管的電流會(huì)急劇增加。擊穿并不意味著管子一定要損壞，如果我們采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^(guò)管子的電流，就能保證管子不因過(guò)熱而燒壞。在反向擊穿狀態(tài)下，讓通過(guò)管子的電流在一定范圍內(nèi)變化，這時(shí)管子兩端電壓變化很小，利用這一點(diǎn)可以達(dá)到“穩(wěn)壓”效果。穩(wěn)壓二極管就是工作在反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax和Izmix的范圍內(nèi)。應(yīng)用中穩(wěn)壓管要采取適當(dāng)措施限制通過(guò)管子的電流值，以保證管子不會(huì)造成熱擊穿。發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?。?shí)物圖圖符號(hào)和

文字符號(hào)D單個(gè)發(fā)光二極管常作為電子設(shè)備通斷指示燈或快速光源及光電耦合器中的發(fā)光元件等。發(fā)光二極管一般使用砷化鎵、磷化鎵等材料制成?，F(xiàn)有的發(fā)光二極管能發(fā)出紅黃綠等顏色的光。發(fā)光管正常工作時(shí)應(yīng)正向偏置，因死區(qū)電壓較普通二極管高，因此其正偏工作電壓一般在1.3V以上。發(fā)光管屬功率控制器件，常用來(lái)作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列器件。2.發(fā)光二極管光電二極管也稱(chēng)光敏二極管，是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，其核心部分也是一個(gè)PN結(jié)。光電二極管PN結(jié)的結(jié)面積較小、結(jié)深很淺，一般小于一個(gè)微米。D光電二極管和穩(wěn)壓管類(lèi)似，也是工作在反向電壓下。無(wú)光照時(shí)，反向電流很小，稱(chēng)為暗電流；有光照射時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛，產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，稱(chēng)為光生載流子。光生載流子在反向電壓作用下形成反向光電流，其強(qiáng)度與光照強(qiáng)度成正比。3.光電二極管光電二極管也稱(chēng)光敏二極管，同樣具有單向?qū)щ娦?，光電管管殼上有一個(gè)能射入光線的“窗口”，這個(gè)窗口用有機(jī)玻璃透鏡進(jìn)行封閉，入射光通過(guò)透鏡正好射在管芯上。實(shí)物圖圖符號(hào)和

文字符號(hào)1.利用穩(wěn)壓管或普通二極管的正向壓降，是否也可以穩(wěn)壓？你會(huì)做嗎？檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果2.現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V，正向?qū)妷簽?.7V。試問(wèn)：(1)若將它們串聯(lián)相接，可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？(2)若將它們并聯(lián)相接，又可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？3.在右圖所示電路中，發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓UD＝1.5V，正向電流在5~15mA時(shí)才能正常工作。試問(wèn)圖中開(kāi)關(guān)S在什么位置時(shí)發(fā)光二極管才能發(fā)光？R的取值范圍又是多少？

NNP6.4雙極型三極管三極管是組成各種電子電路的核心器件。三極管的產(chǎn)生使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。1.雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)和類(lèi)型雙極型晶體管分有NPN型和PNP型，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共同特征相同：都有三個(gè)分區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)和三個(gè)向外引出的電極：發(fā)射極e發(fā)射結(jié)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電極c基極bNPN型PNP型PPN根據(jù)制造工藝和材料的不同，三極管分有雙極型和單極型兩種類(lèi)型。若三極管內(nèi)部的自由電子載流子和空穴載流子同時(shí)參與導(dǎo)電，就是所謂的雙極型。如果只有一種載流子參與導(dǎo)電，即為單極型。NPN型三極管圖符號(hào)大功率低頻三極管小功率高頻三極管中功率低頻三極管目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的雙極型硅晶體管多為NPN型(3D系列)，鍺晶體管多為PNP型(3A系列)，按頻率高低有高頻管、低頻管之別；根據(jù)功率大小可分為大、中、小功率管。

ecbPNP型三極管圖符號(hào)ecb注意：圖中箭頭方向?yàn)榘l(fā)射極電流的方向。2.雙極型三極管的電流放大作用晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖e發(fā)射極集電區(qū)N基區(qū)P發(fā)射區(qū)Nb基極c集電極晶體管實(shí)現(xiàn)電流放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有足夠的載流子供“發(fā)射”。(2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，基區(qū)做得很薄，一般為幾個(gè)微米，且摻雜濃度較發(fā)射極低。(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，摻雜濃度很低?？梢?jiàn)，雙極型三極管并非是兩個(gè)PN結(jié)的簡(jiǎn)單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個(gè)二極管來(lái)代替，使用時(shí)也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。晶體管實(shí)現(xiàn)電流放大作用的外部條件NNPUBBRB＋－(1)發(fā)射結(jié)必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴(kuò)散，擴(kuò)散電流即發(fā)射極電流ie，擴(kuò)散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形成基極電流ib，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴(kuò)散。UCCRC＋－(2)集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的多數(shù)擴(kuò)散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic。IEICIB整個(gè)過(guò)程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復(fù)合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和，即：IE=IB+IC結(jié)論由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE?；仡櫯c總結(jié)1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過(guò)程由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復(fù)合形成基極電流IB，剩下的絕大部分電子則都擴(kuò)散到了集電結(jié)邊緣。2.電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)程集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。3.集電區(qū)收集電子的過(guò)程只要符合三極管發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度大大于基區(qū)的摻雜濃度，基區(qū)的摻雜濃度又大大于集電區(qū)的雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄的內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件，三極管就具有了放大電流的能力。三極管的集電極電流IC稍小于IE，但遠(yuǎn)大于IB，IC與IB的比值在一定范圍內(nèi)基本保持不變。特別是基極電流有微小的變化時(shí)，集電極電流將發(fā)生較大的變化。例如，IB由40μA增加到50μA時(shí)，IC將從3.2mA增大到4mA，即：顯然，雙極型三極管具有電流放大能力。式中的β值稱(chēng)為三極管的電流放大倍數(shù)。不同型號(hào)、不同類(lèi)型和用途的三極管，β值的差異較大，大多數(shù)三極管的β值通常在幾十至幾百的范圍。

由此可得：微小的基極電流IB可以控制較大的集電極電流IC，故雙極型三極管屬于電流控制器件。

3.雙極型三極管的特性曲線所謂特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)。從工程應(yīng)用角度來(lái)看，外部特性更為重要。(1)輸入特性曲線以常用的共射極放大電路為例說(shuō)明UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB從0開(kāi)始增加IBIE=IBUBE令UCC為0UCE=0時(shí)的輸入特性曲線UCE為0時(shí)UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新從0開(kāi)始增加IBICUBE增大UCC讓UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5VUCE=0.5V的特性曲線繼續(xù)增大UCC讓UCE=1V令UBB重新從0開(kāi)始增加UCE=1VUCE=1V的特性曲線繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個(gè)值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不再變化。實(shí)用中三極管的UCE值一般都超過(guò)1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時(shí)的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似。UCE>1V的特性曲線(2)輸出特性曲線先把IB調(diào)到某一固定值保持不變。當(dāng)IB不變時(shí)，輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱(chēng)為輸出特性。然后調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，觀察毫安表中IC的變化并記錄下來(lái)。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的輸出特性曲線。IBUCE/VIC

/mA0UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE再調(diào)節(jié)IB1至另一稍小的固定值上保持不變。仍然調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，繼續(xù)觀察毫安表中IC的變化并記錄下來(lái)。UCE根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些。UCE/VIC

/mA0IBIB1IB2IB3IB=0如此不斷重復(fù)上述過(guò)程，我們即可得到不同基極電流IB對(duì)應(yīng)相應(yīng)IC、UCE數(shù)值的一組輸出特性曲線。輸出曲線開(kāi)始部分很陡，說(shuō)明IC隨UCE的增加而急劇增大。當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時(shí)(一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨UCE而變化。當(dāng)IB一定時(shí)，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)UCE超過(guò)1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流IC。之后即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會(huì)再有明顯的增加，具有恒流特性。UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3當(dāng)IB增大時(shí)，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移，且IC增大的幅度比對(duì)應(yīng)IB大得多。這一點(diǎn)正是晶體管的電流放大作用。從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)β。ΔIB=40A取任意再兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差；再讀出這兩條曲線對(duì)應(yīng)的集電極電流之差ΔIC=1.3mA；ΔIC于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù)：

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3輸出特性曲線上一般可分為三個(gè)區(qū)：飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)。此時(shí)集電極電流IC與基極電流IB之間不再成比例關(guān)系，IB的變化對(duì)IC的影響很小。截止區(qū)。當(dāng)基極電流IB等于0時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。實(shí)際上當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范圍時(shí)，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常使UBE小于或等于零。放大區(qū)晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電流與基極電流之間成β倍的數(shù)量關(guān)系，即晶體管在放大區(qū)時(shí)具有電流放大作用。4.雙極型三極管的極限參數(shù)電流放大倍數(shù)極限參數(shù)①集電極最大允許電流ICMUCE/VIC

/mA0IB=043211.52.3②反向擊穿電壓U(BR)CEOcebUCCU(BR)CEO基極開(kāi)路指基極開(kāi)路時(shí)集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓。使用中若超過(guò)此值,晶體管的集電結(jié)就會(huì)出現(xiàn)雪崩擊穿。Β值的大小反映了晶體管的電流放大能力。IC>ICM時(shí)，晶體管不一定燒損，但β值明顯下降。③集電極最大允許功耗PCM晶體管上的功耗超過(guò)PCM，管子將損壞。安

全

區(qū)晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)的摻雜質(zhì)濃度很高，集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度較低，這樣才使得發(fā)射極電流等于基極電流和集電極電流之和，如果互換顯然不行。晶體管的發(fā)射極和集電極能否互換使用？為什么?

晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時(shí)，UCE<UBE，集電結(jié)也處于正偏，這時(shí)內(nèi)電場(chǎng)被大大削弱，因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達(dá)基區(qū)的電子，這種情況下，集電極電流IC與基極電流IB不再是β倍的關(guān)系。此時(shí)晶體管的電流放大能力大大下降。晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時(shí)，其電流放大系數(shù)是否也等于β？為了發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電子的絕大多數(shù)不能在基區(qū)和空穴復(fù)合，只有極小一部分與基區(qū)空穴復(fù)合形成基極電流，其余電子被集電極收集后形成集電極電流。為什么晶體管基區(qū)摻雜質(zhì)濃度小？而且還要做得很?。繉W(xué)習(xí)與討論用萬(wàn)用表測(cè)試二極管好壞及極性的方法用萬(wàn)用表歐姆檔檢查二極管是否存在單向?qū)щ娦?？并判別其極性。正向?qū)娮韬苄　Ｖ羔樒D(zhuǎn)大。反向阻斷時(shí)電阻很大，指針基本不動(dòng)。選擇萬(wàn)用表的R×1k歐姆檔，黑表棒是表內(nèi)電池正極，紅表棒是內(nèi)部電源負(fù)極，根據(jù)二極管正向?qū)ā⒎聪蜃钄嗟膯蜗驅(qū)щ娦?，?yīng)用圖示方法即可測(cè)出二極管的極性。如果測(cè)量中電表偏轉(zhuǎn)都很大或很小時(shí)，說(shuō)明二極管已經(jīng)損壞。用萬(wàn)用表測(cè)試三極管好壞及極性的方法用指針式萬(wàn)用表檢測(cè)三極管的基極和管型：指針不動(dòng)，說(shuō)明管子反偏截止，因此為NPN型。先將萬(wàn)用表置于R×lk

歐姆檔，將紅表棒接假定的基極B，黑表棒分別與另兩個(gè)極相接觸，觀測(cè)到指針不動(dòng)(或近滿偏)時(shí)，則假定的基極是正確的;且晶體管類(lèi)型為NPN型（或PNP型）。如果把紅黑兩表棒對(duì)調(diào)后，指針仍不動(dòng)(或仍偏轉(zhuǎn))，則說(shuō)明管子已經(jīng)老化(或已被擊穿)損壞。想一想，這種檢測(cè)方法依據(jù)的是什么？指針偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明管子正向?qū)?，因此為PNP型。PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

若被測(cè)管為NPN三極管，讓黑表棒接假定的集電極C，紅表棒接假定的發(fā)射極E。兩手分別捏住B、C兩極充當(dāng)基極電阻RB(兩手不能相接觸)。注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大??；

之后，再將兩檢測(cè)極反過(guò)來(lái)假定，仍然注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大小。cb

e人體電阻cbe人體電阻假定極正確假定極錯(cuò)誤用萬(wàn)用表R×1k歐姆檔判別發(fā)射極E和集電極C偏轉(zhuǎn)較大的假定極是正確的！偏轉(zhuǎn)小的反映其放大能力下降，即集電極和發(fā)射極接反了。

如果兩次檢測(cè)時(shí)電阻相差不大，則說(shuō)明管子的性能較差。1.三極管起電流放大作用，其內(nèi)部、外部條件分別要滿足哪些？你會(huì)做嗎？檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果2.使用三極管時(shí)，只要①集電極電流超過(guò)ICM值；②耗散功率超過(guò)PCM值；③集—射極電壓超過(guò)U（BR）CEO值，三極管就必然損壞。上述說(shuō)法哪個(gè)是對(duì)的？

3.用萬(wàn)用表測(cè)量某些三極管的管壓降得到下列幾組數(shù)據(jù)，說(shuō)明每個(gè)管子是NPN型還是PNP型？是硅管還是鍺管？它們各工作在什么區(qū)域？UBE＝0.7V，UCE＝0.3V；UBE＝0.7V，UCE＝4V；UBE＝0V，UCE＝4V；UBE＝－0.2V，UCE＝－0.3V；UBE＝0V，UCE＝－4V。NPN硅管，飽和區(qū)NPN硅管，放大區(qū)NPN硅管，截止區(qū)PNP鍺管，放大區(qū)PNP鍺管，截止區(qū)6.5單極型三極管

雙極型三極管是利用基極小電流去控制集電極較大電流的電流控制型器件，因工作時(shí)兩種載流子同時(shí)參與導(dǎo)電而稱(chēng)之為雙極型。單極型三極管因工作時(shí)只有多數(shù)載流子一種載流子參與導(dǎo)電，因此稱(chēng)為單極型三極管；單極型三極管是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。上圖所示為單極型三極管產(chǎn)品實(shí)物圖。單極型管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類(lèi)，其中絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用最為廣泛，其中又分增強(qiáng)型和耗盡型兩類(lèi)，且各有N溝道和P溝道之分。1、MOS管的基本結(jié)構(gòu)N+N+以P型硅為襯底BDGS二氧化硅(SiO2)絕緣保護(hù)層兩端擴(kuò)散出兩個(gè)高濃度的N區(qū)N區(qū)與P型襯底之間形成兩個(gè)PN結(jié)由襯底引出電極B由高濃度的N區(qū)引出的源極S由另一高濃度N區(qū)引出的漏極D由二氧化硅層表面直接引出柵極G雜質(zhì)濃度較低，電阻率較高。N+N+以P型硅為襯底BDGS大多數(shù)管子的襯底在出廠前已和源極連在一起鋁電極、金屬（Metal）二氧化硅氧化物（Oxide）半導(dǎo)體（Semiconductor)故單極型三極管又稱(chēng)為MOS管。MOS管電路的連接形式N+N+P型硅襯底BDGS+－UDS+－UGS漏極與源極間電源UDS柵極與源極間電源UGS

如果襯底在出廠前未連接到源極上，則要根據(jù)電路具體情況正確連接。一般P型硅襯底應(yīng)接低電位，N型硅襯底應(yīng)接高電位，由導(dǎo)電溝道的不同而異。不同類(lèi)型MOS管的電路圖符號(hào)DSGB襯底N溝道增強(qiáng)型圖符號(hào)DSGB襯底P溝道增強(qiáng)型圖符號(hào)DSGB襯底N溝道耗盡型圖符號(hào)DSGB襯底P溝道耗盡型圖符號(hào)由圖可看出，襯底的箭頭方向表明了場(chǎng)效應(yīng)管是N溝道還是P溝道：箭頭向里是N溝道，箭頭向外是P溝道。虛線表示增強(qiáng)型實(shí)線表示耗盡型2.工作原理以增強(qiáng)型NMOS管為例說(shuō)明其工作原理。N溝道增強(qiáng)型MOS管不存在原始導(dǎo)電溝道。當(dāng)柵源極間電壓UGS=0時(shí)，增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極之間相當(dāng)于存在兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。N+N+P型硅襯底BDGS不存在原始溝道+－UDSUGS=0此時(shí)無(wú)論UDS是否為0，也無(wú)論其極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此MOS管不導(dǎo)通，ID=0。MOS管處于截止區(qū)。PPN結(jié)PN結(jié)ID=0怎樣才能產(chǎn)生導(dǎo)電溝道呢？在柵極和襯底間加UGS且與源極連在一起，由于二氧化硅絕緣層的存在，電流不能通過(guò)柵極。但金屬柵極被充電，因此聚集大量正電荷。+－+－N+N+P型硅襯底BDGSUDS=0UGS電場(chǎng)力排斥空穴二氧化硅層在UGS作用下被充電而產(chǎn)生電場(chǎng)形成耗盡層出現(xiàn)反型層形成導(dǎo)電溝道電場(chǎng)吸引電子

導(dǎo)電溝道形成時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源間電壓UGS=UT稱(chēng)為開(kāi)啟電壓。UT+－+－N+N+P型硅襯底BDGS當(dāng)UGS>UT、UDS≠0且較小時(shí)UDSUGSID當(dāng)UGS繼續(xù)增大，UDS仍然很小且不變時(shí)，ID隨著UGS的增大而增大。此時(shí)增大UDS，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)梯度，ID又將隨著UDS的增大而增大。直到UGD=UGS－UDS=UT時(shí)，相當(dāng)于UDS增加使漏極溝道縮減到導(dǎo)電溝道剛剛開(kāi)啟的情況，稱(chēng)為預(yù)夾斷，ID基本飽和。導(dǎo)電溝道加厚產(chǎn)生漏極電流ID+－+－N+N+P型硅襯底BDGSUDSUGS如果繼續(xù)增大UDS，使UGD<UT時(shí)，溝道夾斷區(qū)延長(zhǎng)，ID達(dá)到最大且恒定，管子將從放大區(qū)跳出而進(jìn)入飽和區(qū)。UGD溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷時(shí)工作在放大狀態(tài)，放大區(qū)ID幾乎與UDS的變化無(wú)關(guān)，只受UGS的控制。即MOS管是利用柵源電壓UGS來(lái)控制漏極電流I