電工電子技術第6章電子技術中常用半導體器件

1、第一篇第一篇 第第5章章 6.1 半導體的基本知識半導體的基本知識 6.3 特殊二極管特殊二極管 6.4 雙極型二極管雙極型二極管 6.5 單極型三極管單極型三極管 6.2 半導體二極管半導體二極管 第第1頁頁 第第3頁頁 第第3頁頁 一般情況下，本征半導體中的載流子濃度一般情況下，本征半導體中的載流子濃度 很小，其導電能力較弱，且受溫度影響很很小，其導電能力較弱，且受溫度影響很 大，不穩(wěn)定，因此其用途還是很有限的。大，不穩(wěn)定，因此其用途還是很有限的。 硅和鍺硅和鍺 的簡化的簡化 原子模原子模 型。型。 這是硅和鍺構成的這是硅和鍺構成的 共價鍵結構示意圖共價鍵結構示意圖 晶體結構中的晶體結構中

2、的 共價鍵具有很強的共價鍵具有很強的 結合力，在熱力學結合力，在熱力學 零度和沒有外界能零度和沒有外界能 量激發(fā)時，價電子量激發(fā)時，價電子 沒有能力掙脫共價沒有能力掙脫共價 鍵束縛，這時晶體鍵束縛，這時晶體 中幾乎沒有自由電中幾乎沒有自由電 子，因此不能導電子，因此不能導電 第第3頁頁 當半導體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時，某些共價鍵當半導體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時，某些共價鍵 中的價電子中的價電子因熱激發(fā)因熱激發(fā)而獲得足夠的能量，因而能脫離共價鍵的束縛成為而獲得足夠的能量，因而能脫離共價鍵的束縛成為 ，同時在原來的共價鍵中留下一個空位，稱為，同時在原來的共價鍵中留下一

3、個空位，稱為“” 。 空穴空穴 自由自由 電子電子 本征半導體中產(chǎn)生電子本征半導體中產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象稱為空穴對的現(xiàn)象稱為 顯然在外電場的作用下，半導體中將出現(xiàn)兩顯然在外電場的作用下，半導體中將出現(xiàn)兩 部分電流：一是自由電子作定向運動形成的部分電流：一是自由電子作定向運動形成的 ，一是仍被原子核束縛的價電子（不是自由，一是仍被原子核束縛的價電子（不是自由 電子）遞補空穴形成的電子）遞補空穴形成的。 共價鍵中失去電子出現(xiàn)空穴時，相鄰原子的價共價鍵中失去電子出現(xiàn)空穴時，相鄰原子的價 電子比較容易離開它所在的共價鍵填補到這個空電子比較容易離開它所在的共價鍵填補到這個空 穴中來，使該價電子原來所在的

4、共價鍵中又出現(xiàn)穴中來，使該價電子原來所在的共價鍵中又出現(xiàn) 一個空穴，這個空穴又可被相鄰原子的價電子填一個空穴，這個空穴又可被相鄰原子的價電子填 補，再出現(xiàn)空穴，如右圖所示。補，再出現(xiàn)空穴，如右圖所示。 在半導體中同時存在在半導體中同時存在和和兩種兩種 參與導電，這種導電機理和金屬導體的導電機理具有參與導電，這種導電機理和金屬導體的導電機理具有 本質(zhì)上的區(qū)別。本質(zhì)上的區(qū)別。 第第3頁頁 在純凈的硅（或鍺）中摻入微量的磷或砷等在純凈的硅（或鍺）中摻入微量的磷或砷等五價元五價元 素素，雜質(zhì)原子就替代雜質(zhì)原子就替代了共價鍵中了共價鍵中某些硅原子的位置某些硅原子的位置，雜，雜 質(zhì)原子的四個價電子與周圍的

5、硅原子結成共價鍵，剩下質(zhì)原子的四個價電子與周圍的硅原子結成共價鍵，剩下 的一個價電子處在共價鍵之外，很容易掙脫雜質(zhì)原子的的一個價電子處在共價鍵之外，很容易掙脫雜質(zhì)原子的 束縛被激發(fā)成自由電子。同時雜質(zhì)原子由于失去一個電束縛被激發(fā)成自由電子。同時雜質(zhì)原子由于失去一個電 子而變成帶正電荷的離子，這個正離子固定在晶體結構子而變成帶正電荷的離子，這個正離子固定在晶體結構 中，不能移動，所以它不參與導電中，不能移動，所以它不參與導電。 雜質(zhì)離子產(chǎn)生的自由電子不是共價鍵中的價電子，雜質(zhì)離子產(chǎn)生的自由電子不是共價鍵中的價電子， 因此與本征激發(fā)不同，它不會產(chǎn)生空穴因此與本征激發(fā)不同，它不會產(chǎn)生空穴。 由于多余

6、的電子是雜質(zhì)原子提供的，故將雜質(zhì)原子由于多余的電子是雜質(zhì)原子提供的，故將雜質(zhì)原子 稱為稱為。 摻入五價元素的雜質(zhì)半導體，其摻入五價元素的雜質(zhì)半導體，其自由電子的濃度遠遠大于空穴的濃度自由電子的濃度遠遠大于空穴的濃度，因此稱，因此稱 為為半導體半導體，也叫做，也叫做半導體半導體。 在在半導體中，半導體中，載流子載流子（簡稱多子），（簡稱多子），載載 流子流子（簡稱少子）；不能移動的（簡稱少子）；不能移動的。 相對金屬導體而言，本征半導體中載流子數(shù)目極少，因此導電能力仍然很低。相對金屬導體而言，本征半導體中載流子數(shù)目極少，因此導電能力仍然很低。 在如果在其中摻入微量的雜質(zhì)，將使半導體的導電性能發(fā)生

7、顯著變化，我們把這些在如果在其中摻入微量的雜質(zhì)，將使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化，我們把這些 摻入雜質(zhì)的半導體稱為摻入雜質(zhì)的半導體稱為雜質(zhì)半導體可以分為雜質(zhì)半導體可以分為兩大類。兩大類。 第第3頁頁 不論是不論是N型半導體還是型半導體還是P型半導體，雖然型半導體，雖然 都有一種載流子占多數(shù)，但晶體中帶電粒子的都有一種載流子占多數(shù)，但晶體中帶電粒子的 正、負電荷數(shù)相等，仍然呈電中性而不帶電。正、負電荷數(shù)相等，仍然呈電中性而不帶電。 在在P型半導體中，由于雜質(zhì)原子可以型半導體中，由于雜質(zhì)原子可以 而成為而成為的負離子，故稱為的負離子，故稱為 。 摻入三價元素的雜質(zhì)半導體，其空穴的濃摻入三價元素的雜

8、質(zhì)半導體，其空穴的濃 度遠遠大于自由電子的濃度，因此稱為度遠遠大于自由電子的濃度，因此稱為 半導體半導體，也叫做，也叫做半導體半導體。 在硅（或鍺）晶體中摻入微量的在硅（或鍺）晶體中摻入微量的雜質(zhì)硼（或其他），硼原雜質(zhì)硼（或其他），硼原 子在取代原晶體結構中的原子并構成共價鍵時，將因缺少一個價電子而子在取代原晶體結構中的原子并構成共價鍵時，將因缺少一個價電子而 形成一個空穴。當相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發(fā)條件下形成一個空穴。當相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發(fā)條件下 獲得能量時，就有可能填補這個空穴，使硼原子獲得能量時，就有可能填補這個空穴，使硼原子得電子得電子而成為而成為不

9、能移動不能移動 的負離子的負離子；而原來的硅原子共價鍵則因；而原來的硅原子共價鍵則因缺少缺少一個電子，出現(xiàn)一個一個電子，出現(xiàn)一個空穴空穴。 于是半導體中的空穴數(shù)目大量增加。于是半導體中的空穴數(shù)目大量增加?？昭ǔ蔀槎鄶?shù)載流子，而自由電子空穴成為多數(shù)載流子，而自由電子 則成為少數(shù)載流子則成為少數(shù)載流子。 第第3頁頁 正負空間電荷在交界面兩側形成一個由正負空間電荷在交界面兩側形成一個由N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為區(qū)的電場，稱為內(nèi)電場內(nèi)電場，它，它對對 多數(shù)載流子的擴散運動起阻擋作用多數(shù)載流子的擴散運動起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層阻擋層。同時，內(nèi)電場對。同時，內(nèi)電場對

10、 少數(shù)載流子起推動作用，把少數(shù)載流子起推動作用，把少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為。 P型和型和N型半導體并不能直接用來制造半導體器件。通常是在型半導體并不能直接用來制造半導體器件。通常是在N型或型或 P型半導體的局部再摻入濃度較大的三價或五價雜質(zhì)，使其變?yōu)樾桶雽w的局部再摻入濃度較大的三價或五價雜質(zhì)，使其變?yōu)镻型或型或N 型半導體，在型半導體，在P型和型和N型半導體的交界面就會形成型半導體的交界面就會形成PN結。結。 。 左圖所示的是一塊晶片，兩邊分別形成左圖所示的是一塊晶片，兩邊分別形成P 型和型和N型半導體。為便于理解，圖中型半導體。為便于

11、理解，圖中P區(qū)僅區(qū)僅 畫出空穴（多數(shù)載流子）和得到一個電子的畫出空穴（多數(shù)載流子）和得到一個電子的 三價雜質(zhì)負離子，三價雜質(zhì)負離子，N區(qū)僅畫出自由電子（多區(qū)僅畫出自由電子（多 數(shù)載流子）和失去一個電子的五價雜質(zhì)正離數(shù)載流子）和失去一個電子的五價雜質(zhì)正離 子。根據(jù)擴散原理，空穴要從濃度高的子。根據(jù)擴散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)區(qū) 向向N區(qū)擴散，自由電子要從濃度高的區(qū)擴散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向區(qū)向P 區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合(耗盡），形耗盡），形 成載流子極少的正負空間電荷區(qū)如圖中間區(qū)成載流子極少的正負空間電荷區(qū)如圖中間區(qū) 域，這就是域，這就是，又叫，又叫。 第第

12、3頁頁 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) PN結中的擴散和漂移是相互聯(lián)系，又是相互矛盾的結中的擴散和漂移是相互聯(lián)系，又是相互矛盾的。在一定條。在一定條 件（例如溫度一定）下，多數(shù)載流子的擴散運動逐漸減弱，而少數(shù)載件（例如溫度一定）下，多數(shù)載流子的擴散運動逐漸減弱，而少數(shù)載 流子的漂移運動則逐漸增強，最后兩者達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的流子的漂移運動則逐漸增強，最后兩者達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的 寬度基本穩(wěn)定下來，寬度基本穩(wěn)定下來，PN結就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。結就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 根據(jù)擴散原理，空穴要從濃度高的根據(jù)擴散原理，空

13、穴要從濃度高的P區(qū)向區(qū)向N區(qū)擴散，自由電子要從濃度區(qū)擴散，自由電子要從濃度 高的高的N區(qū)向區(qū)向P區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合(耗盡），形成載流子極少的正耗盡），形成載流子極少的正 負空間電荷區(qū)（如上圖所示），也就是負空間電荷區(qū)（如上圖所示），也就是，又叫，又叫。 P區(qū) N區(qū) 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 第第3頁頁 少子少子 漂移漂移 擴散與漂移達到動態(tài)平衡擴散與漂移達到動態(tài)平衡 形成一定寬度的形成一定寬度的PN結結 P 區(qū) N 區(qū) 載流子的擴散運動 多子多子 擴散擴散 形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū) 產(chǎn)生內(nèi)電場產(chǎn)生內(nèi)電場 P 區(qū) 空間電荷區(qū) N 區(qū) PN 結及其內(nèi)電場 內(nèi)電場方

14、向 第第3頁頁 擴散運動和漂移運動相互聯(lián)系又相互矛盾，擴散運動和漂移運動相互聯(lián)系又相互矛盾， ，同時，同時對多數(shù)載流子的繼續(xù)擴對多數(shù)載流子的繼續(xù)擴 散阻力增大散阻力增大，但，但使少數(shù)載流子漂移增強使少數(shù)載流子漂移增強； ，又，又促使多子的擴散容易進行促使多子的擴散容易進行。 繼續(xù)討論繼續(xù)討論 當漂移運動達到和擴散運動相等時，當漂移運動達到和擴散運動相等時，PN結便處于結便處于狀態(tài)?？蔂顟B(tài)。可 以想象，在平衡狀態(tài)下，電子從以想象，在平衡狀態(tài)下，電子從N區(qū)到區(qū)到P區(qū)擴散電流必然等于從區(qū)擴散電流必然等于從P區(qū)到區(qū)到N 區(qū)的漂移電流，同樣，空穴的擴散電流和漂移電流也必然相等。即區(qū)的漂移電流，同樣，空穴

15、的擴散電流和漂移電流也必然相等。即 。 由于空間電荷區(qū)內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴散到對方，或被對方擴散過來由于空間電荷區(qū)內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴散到對方，或被對方擴散過來 的多數(shù)載流子復合掉了，即多數(shù)載流子被耗盡了，所以空間電荷區(qū)又稱為的多數(shù)載流子復合掉了，即多數(shù)載流子被耗盡了，所以空間電荷區(qū)又稱為 。擴散作用越強，耗盡層越寬。擴散作用越強，耗盡層越寬。 第第3頁頁 空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)變變窄窄 R 內(nèi)內(nèi)電電場場 外外電電場場 P N I正正向向 US 第第3頁頁 E R 內(nèi)電場 外電場 空間電荷區(qū) 變寬 P N IR 第第3頁頁 討論題討論題 半導體的導電機理與金屬導 體的導電機理有本質(zhì)的區(qū)別：金金

16、屬導體中只有一種載流子屬導體中只有一種載流子自由自由 電子參與導電，半導體中有兩種電子參與導電，半導體中有兩種 載流子載流子自由電子和空穴參與導自由電子和空穴參與導 電，電，而且這兩種載流子的濃度可 以通過在純凈半導體中加入少量 的有用雜質(zhì)加以控制。 半導體導電機理半導體導電機理 和導體的導電機和導體的導電機 理有什么區(qū)別？理有什么區(qū)別？ 雜質(zhì)半導體中的多子和少子雜質(zhì)半導體中的多子和少子 性質(zhì)取決于雜質(zhì)的外層價電子。性質(zhì)取決于雜質(zhì)的外層價電子。 若摻雜的是五價元素，則由于多 電子形成N型半導體：多子是電 子，少子是空穴；如果摻入的是 三價元素，就會由于少電子而構 成P型半導體。 P型半導體的共

17、 價鍵結構中空穴多于電子，且這 些空穴很容易讓附近的價電子跳 過來填補，因此價電子填補空穴 的空穴運動是主要形式，所以多 子是空穴，少子是電子。 雜質(zhì)半導體中的多數(shù)載流雜質(zhì)半導體中的多數(shù)載流 子和少數(shù)載流子是怎樣產(chǎn)子和少數(shù)載流子是怎樣產(chǎn) 生的？為什么生的？為什么P型半導體型半導體 中的空穴多于電子？中的空穴多于電子？ N型半導體中具有多數(shù)載流子電子，同時型半導體中具有多數(shù)載流子電子，同時 還有與電子數(shù)量相同的正離子及由本征激還有與電子數(shù)量相同的正離子及由本征激 發(fā)的電子發(fā)的電子空穴對，因此整塊半導體中正空穴對，因此整塊半導體中正 負電荷數(shù)量相等，呈電中性而不帶電。負電荷數(shù)量相等，呈電中性而不帶

18、電。 N型半導體中的多數(shù)載型半導體中的多數(shù)載 流子是電子，能否認為流子是電子，能否認為 這種半導體就是帶負電這種半導體就是帶負電 的？為什么？的？為什么？ 空間電荷區(qū)的電阻空間電荷區(qū)的電阻 率為什么很高？率為什么很高？ 何謂何謂PN結的單向導結的單向導 電性？電性？ 第第3頁頁 2. 半導體在熱（或光照等半導體在熱（或光照等 ）作用下產(chǎn)生電子、空穴對，這種現(xiàn)象稱為）作用下產(chǎn)生電子、空穴對，這種現(xiàn)象稱為 本征激發(fā)；電子、空穴對不斷激發(fā)產(chǎn)生的同時，運動中的電子又會本征激發(fā)；電子、空穴對不斷激發(fā)產(chǎn)生的同時，運動中的電子又會 “跳進跳進 ”另一個空穴，重新被共價鍵束縛起來，這種現(xiàn)象稱為復合，即復合中電

19、另一個空穴，重新被共價鍵束縛起來，這種現(xiàn)象稱為復合，即復合中電 子空穴對被子空穴對被“吃掉吃掉”。 。 1. 半導體中的少子雖然濃度很低半導體中的少子雖然濃度很低 ，但少子對溫度非，但少子對溫度非 常敏感，即常敏感，即。而多子。而多子 因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的濃度，所以基本上不受溫因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的濃度，所以基本上不受溫 度影響。度影響。 4. PN結的單向導電性是指：結的單向導電性是指： 3. 空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指它的內(nèi)電場總是阻礙多數(shù)載流子（電空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指它的內(nèi)電場總是阻礙多數(shù)載流子（電 流）的擴散運動作用，由于這種阻礙作用，使得擴散電流難以通過，也就流）

20、的擴散運動作用，由于這種阻礙作用，使得擴散電流難以通過，也就 是說，是說，。 第第3頁頁 一個一個PN結加上相應的電極引線并用管殼封裝起來，就構成了結加上相應的電極引線并用管殼封裝起來，就構成了 半導體二極管，簡稱二極管，接在半導體二極管，簡稱二極管，接在P型半導體一側的引出線稱為陽型半導體一側的引出線稱為陽 極；接在極；接在N型半導體一側的引出線稱為陰極。型半導體一側的引出線稱為陰極。 半導體二極管按其結構不同可分為半導體二極管按其結構不同可分為和和兩類。兩類。 點接觸型二極管點接觸型二極管 。主要應用于小電流的整。主要應用于小電流的整 流和高頻時的檢波、混頻及脈沖數(shù)字電路中的開關元件等。流

21、和高頻時的檢波、混頻及脈沖數(shù)字電路中的開關元件等。 面接觸型二極管面接觸型二極管PN結面積大，因而能通過較大的電流，但其結結面積大，因而能通過較大的電流，但其結 電容也小，只適用于較低頻率下的整流電路中。電容也小，只適用于較低頻率下的整流電路中。 第第3頁頁 陽極 陰極 -60 -40 -20 0.4 0.8 U /V 40 30 20 10 I /mA 0 正向特性 反向特性 死區(qū) 電壓 二極管外加正向電壓較小時，外二極管外加正向電壓較小時，外 電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴散電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴散 的阻力，的阻力，PN結仍處于截止狀態(tài)結仍處于截止狀態(tài) 。 反向電壓大于擊穿電壓時，反向

22、電流急劇增加。反向電壓大于擊穿電壓時，反向電流急劇增加。 正向電壓大于死區(qū)電壓后，正正向電壓大于死區(qū)電壓后，正 向電流向電流 隨著正向電壓增大迅速上隨著正向電壓增大迅速上 升。通常死區(qū)電壓硅管約為升。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V ，鍺管約為鍺管約為0.2V。 外加反向電壓時，外加反向電壓時， PN結處于截止狀態(tài)，反向電流很??；結處于截止狀態(tài)，反向電流很?。?導通后二極管的正向壓降變化不大，硅管約為導通后二極管的正向壓降變化不大，硅管約為0.6 0.8V，鍺管約為，鍺管約為0.20.3V。溫度上升，死區(qū)電。溫度上升，死區(qū)電 壓和正向壓降均相應降低。壓和正向壓降均相應降低。 第第3頁頁 普通二極管

23、被擊穿后，由于反向電流很大，一般都會造普通二極管被擊穿后，由于反向電流很大，一般都會造 成成“熱擊穿熱擊穿”，這兩種擊，這兩種擊 穿不會從根本上損壞二極管，而穿不會從根本上損壞二極管，而 。 1）最大整流電流）最大整流電流IDM：指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。 2）最高反向工作電壓）最高反向工作電壓URM：二極管運行時允許承受的最高反向電壓。二極管運行時允許承受的最高反向電壓。 3）反向電流）反向電流IR：指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，則管子的單向導電指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，則管子的單向導電 性越好。性越好。 二極

24、管應用范圍很廣，主要是利用它的單向導電性，常用于整流、檢二極管應用范圍很廣，主要是利用它的單向導電性，常用于整流、檢 波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中用作開關元件等。波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中用作開關元件等。 D Tr u1 RLu2 UL 二極管半波整流電二極管半波整流電 路路 u u D A U F 二極管鉗位電路二極管鉗位電路 R uOui D1D2 二極管限幅電路二極管限幅電路 第第3頁頁 反向電壓增加到一定大小時，通過二極管的反向電流劇反向電壓增加到一定大小時，通過二極管的反向電流劇 增，這種現(xiàn)象稱為二極管的增，這種現(xiàn)象稱為二極管的。 反向擊穿電壓一般在幾十伏以上（高反壓管

25、可達幾千伏）。反向擊反向擊穿電壓一般在幾十伏以上（高反壓管可達幾千伏）。反向擊 穿現(xiàn)象分有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。穿現(xiàn)象分有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。 PN結反向電壓增加時，空間電荷區(qū)內(nèi)電場增強。通過空間結反向電壓增加時，空間電荷區(qū)內(nèi)電場增強。通過空間 電荷區(qū)的電子和空穴，在內(nèi)電場作用下獲得較大能量，它們運動時不斷地與電荷區(qū)的電子和空穴，在內(nèi)電場作用下獲得較大能量，它們運動時不斷地與 晶體中其它晶體中其它 原子發(fā)生碰撞，通過碰撞使其它共價鍵產(chǎn)生本征激發(fā)又出現(xiàn)電原子發(fā)生碰撞，通過碰撞使其它共價鍵產(chǎn)生本征激發(fā)又出現(xiàn)電 子子空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的電子空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離

26、。新產(chǎn)生的電子空穴對與原有的電子空穴對與原有的電子 和空穴一樣，在電場作用下，也向相反的方向運動，重新獲得能量，再通過和空穴一樣，在電場作用下，也向相反的方向運動，重新獲得能量，再通過 碰撞其它原子，又產(chǎn)生電子碰撞其它原子，又產(chǎn)生電子空穴對，從而空穴對，從而。當反向。當反向 電壓增大到某一數(shù)值，電壓增大到某一數(shù)值，載流子的倍增情況就像在陡峻的山坡上積雪發(fā)生雪崩載流子的倍增情況就像在陡峻的山坡上積雪發(fā)生雪崩 一樣，突然使反向電流急劇增大，發(fā)生二極管的一樣，突然使反向電流急劇增大，發(fā)生二極管的。 在加有較高的反向電壓下，在加有較高的反向電壓下，PN結空間電荷區(qū)中存一個強電結空間電荷區(qū)中存一個強電

27、場，它能夠破壞共價鍵將束縛電子分離出來造成電子場，它能夠破壞共價鍵將束縛電子分離出來造成電子空穴對，形成較大的空穴對，形成較大的 反向電流。發(fā)生齊納擊穿需要的電場強度約為反向電流。發(fā)生齊納擊穿需要的電場強度約為210V/cm，這只有在雜質(zhì)濃，這只有在雜質(zhì)濃 度特別大的度特別大的PN結中才能達到，因為結中才能達到，因為雜質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度也雜質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度也 大，因而空間電荷區(qū)很窄，電場強度可能很高，致使大，因而空間電荷區(qū)很窄，電場強度可能很高，致使PN結產(chǎn)生結產(chǎn)生。 第第3頁頁 穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其實物圖、圖符號及伏穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型

28、二極管，其實物圖、圖符號及伏 安特性如圖所示：安特性如圖所示： 當反向電壓加到某一數(shù)值時，反當反向電壓加到某一數(shù)值時，反 向電流劇增，管子進入反向擊穿區(qū)。向電流劇增，管子進入反向擊穿區(qū)。 圖中圖中UZ穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值。 穩(wěn)壓管實物圖穩(wěn)壓管實物圖 由圖可見，穩(wěn)壓管特性和普通二由圖可見，穩(wěn)壓管特性和普通二 極管類似，但其極管類似，但其反向擊穿是可逆的，反向擊穿是可逆的， 不會發(fā)生不會發(fā)生“熱擊穿熱擊穿”，而且其反向擊，而且其反向擊 穿后的特性曲線比較陡直，即穿后的特性曲線比較陡直，即反向電反向電 壓基本不隨反向電流變化而變化壓基本不隨反向電流變化而變化，這這 就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)

29、壓特性就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性。 陽極 陰極 穩(wěn)壓管圖符號穩(wěn)壓管圖符號 電流增量電流增量I 很大，只會引起很小的電壓變化很大，只會引起很小的電壓變化U。 曲線愈陡，動態(tài)電阻曲線愈陡，動態(tài)電阻rz=U/I愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好。一般地說，。一般地說，UZ 為為8V左右的穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻較小，低于這個電壓時，左右的穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻較小，低于這個電壓時，rz隨齊納電壓的下降隨齊納電壓的下降 迅速增加，使低壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能變差。迅速增加，使低壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能變差。 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ，低的為，低的為3V，高的可達，高的可達300V，穩(wěn)壓二極管在工作時

30、，穩(wěn)壓二極管在工作時 的正向壓降約為的正向壓降約為0.6V。 I/mA 40 30 20 10 -5 -10 -15 -20 （A） 正向 0 0.4 0.8 12 8 4 反向 UZ IZ U/V 第第3頁頁 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限 流電阻流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在，使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax 和和Izmix的范圍內(nèi)。穩(wěn)壓管在應用中要的范圍內(nèi)。穩(wěn)壓管在應用中要 采取適當?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流采取適當?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流 值，以保證管子不會造成值，以保證管子不會造成熱擊穿熱擊穿。 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：穩(wěn)壓管的主要參數(shù)： （1）穩(wěn)定電壓）穩(wěn)定電壓UZ：反

31、向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。：反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。 （2）穩(wěn)定電流）穩(wěn)定電流IZ：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的電流。：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的電流。 （3）動態(tài)電阻）動態(tài)電阻rZ：穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓的變化量與相應電流的：穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓的變化量與相應電流的 變化量之比。即：變化量之比。即： rZ=UZ/IZ （4）耗散功率）耗散功率PZM和最大穩(wěn)定電流和最大穩(wěn)定電流IZM。額定耗散功率額定耗散功率PZM是在穩(wěn)壓管允許是在穩(wěn)壓管允許 結溫下的最大功率損耗。結溫下的最大功率損耗。IZM是指穩(wěn)壓管允許通過的最大電流。二者關系是指穩(wěn)壓管允許通過的最大電流。二者關系 可寫為：可寫為：

32、 PZM=UZIZM 回顧二極管的反向擊穿時特性：回顧二極管的反向擊穿時特性：當反當反 向電壓超過擊穿電壓時，流過管子的電流向電壓超過擊穿電壓時，流過管子的電流 會急劇增加。會急劇增加。 擊穿并不意味著管子一定要損壞，如擊穿并不意味著管子一定要損壞，如 果我們采取適當?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電果我們采取適當?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電 流，就能保證管子不因過熱而燒壞。流，就能保證管子不因過熱而燒壞。 在反向擊穿狀態(tài)下，在反向擊穿狀態(tài)下，讓流過管子的電讓流過管子的電 流在一定的范圍內(nèi)變化，這時管子兩端電流在一定的范圍內(nèi)變化，這時管子兩端電 壓變化很小壓變化很小，利用這一點可以達到，利用這一點可以達到“穩(wěn)壓

33、穩(wěn)壓” 的效果。的效果。 穩(wěn)壓管是怎穩(wěn)壓管是怎 么實現(xiàn)穩(wěn)壓么實現(xiàn)穩(wěn)壓 作用的？作用的？ 第第3頁頁 單個發(fā)光二極管實物單個發(fā)光二極管實物 發(fā)光二極管圖符號發(fā)光二極管圖符號 發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉換成光能的固體發(fā)光發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉換成光能的固體發(fā)光 元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由PN結構成，具結構成，具 有單向導電性。左圖所示為發(fā)光二極管的實物圖和圖符號。有單向導電性。左圖所示為發(fā)光二極管的實物圖和圖符號。 發(fā)光二極管是一種功率控制器件，常用來作為數(shù)字電路的發(fā)光二極管是一種功率控制器件，常用來作為數(shù)字電路的 數(shù)碼及圖形顯示的

34、七段式或陣列式器件；單個發(fā)光二極管常數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列式器件；單個發(fā)光二極管常 作為電子設備通斷指示燈或快速光源以及光電耦合器中的發(fā)作為電子設備通斷指示燈或快速光源以及光電耦合器中的發(fā) 光元件等。光元件等。 光電二極管也和普通二極管一樣，管芯由光電二極管也和普通二極管一樣，管芯由PN結構成，具結構成，具 有單向導電性。光電二極管的管殼上有一個能射入光線的有單向導電性。光電二極管的管殼上有一個能射入光線的“ 窗口窗口”，這個窗口用有機玻璃透鏡進行封閉，入射光通過透，這個窗口用有機玻璃透鏡進行封閉，入射光通過透 鏡正好射在管芯上。鏡正好射在管芯上。 利用穩(wěn)壓管的正利用穩(wěn)壓管的正 向壓降，

35、是否也向壓降，是否也 可以穩(wěn)壓？可以穩(wěn)壓？ 利用穩(wěn)壓管的正向壓降是不能進行穩(wěn)壓的。利用穩(wěn)壓管的正向壓降是不能進行穩(wěn)壓的。 因為穩(wěn)壓管的正向特性與普通二極管相同，正因為穩(wěn)壓管的正向特性與普通二極管相同，正 向電阻非常小，工作在正向導通區(qū)時，正向電壓一向電阻非常小，工作在正向導通區(qū)時，正向電壓一 般為般為0.6V左右，此電壓數(shù)值一般變化不大。左右，此電壓數(shù)值一般變化不大。 第第3頁頁 雙極型晶體管是由兩個背靠背、互有影響的雙極型晶體管是由兩個背靠背、互有影響的PN結構成的。在工作過結構成的。在工作過 程中兩種載流子都參與導電，所以全名稱為雙極結型晶體管。程中兩種載流子都參與導電，所以全名稱為雙極結

36、型晶體管。 雙極結型晶體管有三個引出電極，人們習慣上又稱它為晶體三極管或雙極結型晶體管有三個引出電極，人們習慣上又稱它為晶體三極管或 簡稱晶體管。簡稱晶體管。 晶體管的種類很多晶體管的種類很多,按照頻率分，有高頻管、低頻管；按照功率分，按照頻率分，有高頻管、低頻管；按照功率分， 有小、中、大功率管；按照半導體材料分，有硅管、鍺管等等。但是從它有小、中、大功率管；按照半導體材料分，有硅管、鍺管等等。但是從它 的外形來看，晶體管都有三個電極，常見的晶體管外形如圖所示：的外形來看，晶體管都有三個電極，常見的晶體管外形如圖所示： 第第3頁頁 由兩塊由兩塊N型半導體中間夾著一塊型半導體中間夾著一塊P型半

37、導體的管子稱為型半導體的管子稱為NPN管。管。還還 有一種與它成對偶形式的，即有一種與它成對偶形式的，即兩塊兩塊P型半導體中間夾著一塊型半導體中間夾著一塊N型半導體型半導體 的管子，稱為的管子，稱為PNP管。管。晶體管制造工藝上的特點是：晶體管制造工藝上的特點是： ，這樣的結構才能這樣的結構才能保證晶保證晶 體管具有體管具有電流放大作用電流放大作用。 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電極集電極 晶體管有兩個結晶體管有兩個結 晶體管有三個區(qū)晶體管有三個區(qū) 晶體管有三個電極晶體管有三個電極 第第6章章 三極管是一種具有電流放大作三極管是一種具有電流放大作 用的模擬器件。用的模擬器件。 A m mA m

38、mA I IC C I IB B I IE E U UBB BB U UCC CC R RB B 3DG63DG6 NPNNPN型晶體管電流放大的實驗電路型晶體管電流放大的實驗電路 R RC C C E B 左圖所示為驗證三極管電流放大左圖所示為驗證三極管電流放大 作用的實驗電路，這種電路接法稱為作用的實驗電路，這種電路接法稱為 共射電路。其中，直流電壓源共射電路。其中，直流電壓源UCC CC應大 應大 于于UBB BB，從而使電路滿足放大的外部條 ，從而使電路滿足放大的外部條 件：發(fā)射結正向偏置，集電極反向偏件：發(fā)射結正向偏置，集電極反向偏 置。改變可調(diào)電阻置。改變可調(diào)電阻RB，基極電流，基

39、極電流IB， 集電極電流集電極電流IC和發(fā)射極電流和發(fā)射極電流IE都會發(fā)生都會發(fā)生 變化，由測量結果可得出以下結論：變化，由測量結果可得出以下結論： a）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度基區(qū)基區(qū)集電區(qū)；集電區(qū)； b）基區(qū)很薄?；鶇^(qū)很薄。 發(fā)射結正偏，集電結反偏。發(fā)射結正偏，集電結反偏。 1. IE IB IC （符合（符合KCL定律）定律） 2. IC IB，為管子的流放大系數(shù)，為管子的流放大系數(shù)， 用來表征三極管的電流放大能力：用來表征三極管的電流放大能力： 3. IC IB B C I I 第第6章章 N IC IE IB RB UBB UCC RC N P 由于發(fā)射結處于正向偏置，發(fā)射區(qū)的多

40、由于發(fā)射結處于正向偏置，發(fā)射區(qū)的多 數(shù)載流子自由電子將不斷擴散到基區(qū)，并不數(shù)載流子自由電子將不斷擴散到基區(qū)，并不 斷從電源補充進電子，形成發(fā)射極電流斷從電源補充進電子，形成發(fā)射極電流IE。 由于基區(qū)很薄，其多數(shù)載流子空穴濃度由于基區(qū)很薄，其多數(shù)載流子空穴濃度 很低，所以從發(fā)射極擴散過來的電子只有很很低，所以從發(fā)射極擴散過來的電子只有很 少一部分和基區(qū)空穴復合，剩下的絕大部分少一部分和基區(qū)空穴復合，剩下的絕大部分 都能擴散到集電結邊緣。都能擴散到集電結邊緣。 IC比比IB大數(shù)十至數(shù)百倍，因而大數(shù)十至數(shù)百倍，因而IB雖然很小，但對雖然很小，但對IC有控制作用，有控制作用，IC隨隨IB 的改變而改變

41、，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化， 表明表明基極電流對集電極電流具有小量控制大量的作用，基極電流對集電極電流具有小量控制大量的作用，這就是三極管的這就是三極管的 。 由于集電結反向偏置，可將從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)并到達集電區(qū)邊緣的電子由于集電結反向偏置，可將從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)并到達集電區(qū)邊緣的電子 拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。 第第6章章 IC IB RB UBB UCC RC V V A mA + UCE + UBE 0.4 0.8 UBE /V 40 30 20

42、10 IB /mA 0 UCE1V 測量三極管特性的實驗電路 三極管的輸入特性曲線 1 1輸入特性曲線輸入特性曲線晶體管的輸入特性與二極管類似晶體管的輸入特性與二極管類似 死區(qū)電壓死區(qū)電壓 UCE 1V，原因是，原因是b、e間加正向電壓。這時集電極的電位比基極高，集電結為反向間加正向電壓。這時集電極的電位比基極高，集電結為反向 偏置，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分擴散到集電結，只有一小部分與基區(qū)中的空穴偏置，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分擴散到集電結，只有一小部分與基區(qū)中的空穴 復合，形成復合，形成IB。 與與UCE=0V時相比時相比 ，在，在UBE相同的條件下，相同的條件下，IB要小的多。從圖中

43、可以看出，導通電壓要小的多。從圖中可以看出，導通電壓 約為約為0.5V。嚴格地說，當。嚴格地說，當UCE逐漸增加逐漸增加 時，時，IB逐漸減小，曲線逐漸向右移。這是因為逐漸減小，曲線逐漸向右移。這是因為 UCE增加時，集電結的耗盡層變寬，減小了基區(qū)的有效寬度，不利于空穴的復合，所以增加時，集電結的耗盡層變寬，減小了基區(qū)的有效寬度，不利于空穴的復合，所以 IB減小。不過減小。不過UCE超過超過1V以后再增加，以后再增加，IC增加很少，因為增加很少，因為IB的變化量也很小，通常可以的變化量也很小，通?？梢?忽略忽略UCE變化對變化對IB的影響，認為的影響，認為UCE 1V時的時的 曲線都重合在一起

44、。曲線都重合在一起。 第第6章章 4 3 2 1 IB=0 0 3 6 9 12 UCE /V 20A 40A 60A 80A 100A 飽飽和和區(qū)區(qū) 截截止止區(qū)區(qū) 放放 大大 區(qū)區(qū) IC /mA （1）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結反向偏置）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結反向偏置 （2）截止區(qū)：發(fā)射結反向偏置，集電結反向偏置）截止區(qū)：發(fā)射結反向偏置，集電結反向偏置 （3）飽和區(qū)：發(fā)射結正向偏置，集電結正向偏置）飽和區(qū)：發(fā)射結正向偏置，集電結正向偏置 2 2輸出特性曲線輸出特性曲線 BC ii 0 0 CB ii； iB0，uBE0，uCEuBE BC ii 第第6章章 1 1、電流放大倍數(shù)、

45、電流放大倍數(shù)：i iC C= = i iB B 2 2、極間反向電流、極間反向電流i iCBO CBO、 、i iCEO CEO： ：i iCEO CEO= =（ （1+ 1+ ）i iCBO CBO 3 3、極限參數(shù)、極限參數(shù) （1 1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流 I ICM CM： ： 下降到額定值下降到額定值的的 2/32/3時所允許的最大集電極電流。時所允許的最大集電極電流。 （2 2）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓U U（ （BRBR）CEOCEO： ：基極開路時，集電極基極開路時，集電極 、發(fā)射極間的最大允許電壓：基極開路時、集電極與、發(fā)射極間的最大允許電壓：基極開路時、集

46、電極與 發(fā)射極之間的最大允許電壓。為保證晶體管安全工作發(fā)射極之間的最大允許電壓。為保證晶體管安全工作 ，一般應?。海话銘。?（3 3）集電極最大允許功耗）集電極最大允許功耗P PCM CM ：晶體管的參數(shù)不超 ：晶體管的參數(shù)不超 過允許值時，集電極所消耗的最大功率。過允許值時，集電極所消耗的最大功率。 (BR)CEOCC ) 3 2 2 1 (UU 第第6章章 學習與探討學習與探討 晶體管的發(fā)射極和集電極是晶體管的發(fā)射極和集電極是 不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)的不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)的 摻雜質(zhì)濃度很高，集電區(qū)的摻雜摻雜質(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)射極質(zhì)濃度較低，這樣

47、才使得發(fā)射極 電流等于基極電流和集電極電流電流等于基極電流和集電極電流 之和，如果互換作用顯然不行。之和，如果互換作用顯然不行。 晶體管的發(fā)射極晶體管的發(fā)射極 和集電極能否互和集電極能否互 換使用？為什么換使用？為什么? 晶體管在輸出特性曲線的飽晶體管在輸出特性曲線的飽 和區(qū)工作時，和區(qū)工作時，UCEUT時，隨著時，隨著UGS的增大，導電溝道逐漸變寬，溝道電阻漸小，漏極的增大，導電溝道逐漸變寬，溝道電阻漸小，漏極 電流電流ID漸大漸大。這種漏極電流。這種漏極電流ID隨柵極電位隨柵極電位UGS的變化而變化的關系，稱為的變化而變化的關系，稱為 MOS管的管的。 P襯底應接低電位，襯底應接低電位，N

48、襯底應接高電位；當源極電位很高或很低時，應與襯底相連襯底應接高電位；當源極電位很高或很低時，應與襯底相連 通常漏極和源極可以互換，若出廠時源極和襯底相連，應注意漏、源極則不能對調(diào)通常漏極和源極可以互換，若出廠時源極和襯底相連，應注意漏、源極則不能對調(diào) MOS管的柵源電壓不能接反，但可在開路狀態(tài)下保存。管的柵源電壓不能接反，但可在開路狀態(tài)下保存。MOS管的襯底應與電路中管的襯底應與電路中 最低電位相連。應特別注意：最低電位相連。應特別注意：MOS在不使用時柵極不能懸空，務必將各電極短接！在不使用時柵極不能懸空，務必將各電極短接！ 焊接焊接MOS管時，應斷電后再焊。管時，應斷電后再焊。 第第6章章 n場效應管的源極場效應管的源極S S、柵極、柵極G G、漏極、漏極D D分別對應于晶體管的發(fā)射極分別對應于晶體管的發(fā)射極e e、基極、基極b b、 集電極集電極c c，它們的作用相似。，它們的作用相似。 n場效應管是電壓控制電流器件，場效應管柵極基本上不取電流，而晶體管場效應管是電壓控制電流器件，場效應管柵極基本上不取電流，而晶體管 工作時基極總要取一定的電流。所以在只允許從信號源取極小量電流的情工作時基極總要取一定的電流。所以在只允許從信號源取極小量電流的情 況下，應該選用場效應管；而在允許取一定量電流時，選用晶體管進行放況下，應該