電工與電子技術(shù)第7章 半導(dǎo)體器件

1、1 2 3 7.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 4 7.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體 最常用的半導(dǎo)體為硅最常用的半導(dǎo)體為硅(SiSi)和鍺和鍺(GeGe)。 它們的共同特征是它們的共同特征是四價(jià)元素四價(jià)元素，每個(gè)原子最外，每個(gè)原子最外 層電子數(shù)為層電子數(shù)為 4 4 。 + + + + SiSi GeGe 5 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體晶體中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)：晶體中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)： 每個(gè)原子與每個(gè)原子與 相鄰的四個(gè)相鄰的四個(gè) 原子結(jié)合。原子結(jié)合。 每個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子與每個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子與 相鄰原子的一個(gè)價(jià)電子組相鄰原子的一

2、個(gè)價(jià)電子組 成一電子對(duì)，由相鄰原子成一電子對(duì)，由相鄰原子 共有，構(gòu)成共有，構(gòu)成共價(jià)鍵共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 6 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 價(jià)電子價(jià)電子 共共 價(jià)價(jià) 鍵鍵 價(jià)電子價(jià)電子 自由電子自由電子和和空穴空穴同時(shí)同時(shí)產(chǎn)生產(chǎn)生 半導(dǎo)體導(dǎo)電方式半導(dǎo)體導(dǎo)電方式 激發(fā)激發(fā) 自由電子自由電子 溫增溫增/光照光照 外加電壓外加電壓 電子電流電子電流 離開(kāi)離開(kāi) ?？昭ㄊ？昭?（原子帶（原子帶 正電）正電） 外加電壓外加電壓 吸引相鄰原吸引相鄰原 子價(jià)電子填子價(jià)電子填 補(bǔ)空穴補(bǔ)空穴 好像好像 空穴空穴 在運(yùn)在運(yùn) 動(dòng)動(dòng) 空穴電流空穴電流 與金與金 屬導(dǎo)屬導(dǎo) 電的電的 區(qū)別區(qū)別 硅原子硅原子 自由自由 電子電子 7 硅原子硅

3、原子 半導(dǎo)體中的半導(dǎo)體中的自由電子自由電子和和空穴空穴都能參與導(dǎo)電都能參與導(dǎo)電 半導(dǎo)體具有兩種載流子。半導(dǎo)體具有兩種載流子。 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 價(jià)電子價(jià)電子 小結(jié)小結(jié) 本征半導(dǎo)體中的自由電子和本征半導(dǎo)體中的自由電子和 空穴總是空穴總是成對(duì)出現(xiàn)成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)又，同時(shí)又 不斷進(jìn)行復(fù)合。在一定溫度不斷進(jìn)行復(fù)合。在一定溫度 下，載流子的產(chǎn)生與復(fù)合會(huì)下，載流子的產(chǎn)生與復(fù)合會(huì) 達(dá)到達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡。溫度愈高，。溫度愈高， 載流子數(shù)目就愈多，導(dǎo)電性載流子數(shù)目就愈多，導(dǎo)電性 能就愈好能就愈好溫度對(duì)半導(dǎo)體溫度對(duì)半導(dǎo)體 器件性能影響很大器件性能影響很大 8 7.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在常溫下，本征半導(dǎo)體的

4、兩種載流子數(shù)量在常溫下，本征半導(dǎo)體的兩種載流子數(shù)量 還是極少的，其導(dǎo)電能力相當(dāng)?shù)?。還是極少的，其導(dǎo)電能力相當(dāng)?shù)汀?如果在半導(dǎo)體晶體中摻入微量雜質(zhì)元素，如果在半導(dǎo)體晶體中摻入微量雜質(zhì)元素， 將得到將得到摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體，而，而摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電 能力將大大提高。能力將大大提高。 由于摻入雜質(zhì)元素的不同，由于摻入雜質(zhì)元素的不同，摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體可可 分為分為兩大類兩大類NN型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 9 1. N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入微量磷當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入微量磷( (或其它五價(jià)元或其它五價(jià)元 素素) )時(shí)，磷原子與周圍四個(gè)硅原子形

5、成共價(jià)鍵后，時(shí)，磷原子與周圍四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵后， 磷原子的外層電子數(shù)將是磷原子的外層電子數(shù)將是 9 9 ，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)多一，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)多一 個(gè)價(jià)電子。個(gè)價(jià)電子。 P + Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si多余多余 電子電子 10 1. N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 摻入摻入磷磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶體中，雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶體中，自由電子自由電子的數(shù)目的數(shù)目 大量增加。大量增加。這種半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電這種半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，稱稱 之為電子半導(dǎo)體或之為電子半導(dǎo)體或N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 在在N N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中電子電子是多數(shù)載流子、是多數(shù)載流子、空穴空穴是

6、少是少 數(shù)載流子。數(shù)載流子。 室溫情況下，本征硅中載流子有室溫情況下，本征硅中載流子有1.51.5 101010 10個(gè) 個(gè) /cm/cm3 3，當(dāng)磷摻雜量在，當(dāng)磷摻雜量在10106 6量級(jí)時(shí)，電子載流 量級(jí)時(shí)，電子載流 子數(shù)目將增加幾十萬(wàn)倍。子數(shù)目將增加幾十萬(wàn)倍。 11 當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入微量硼當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入微量硼( (或其它三價(jià)或其它三價(jià) 元素元素) )時(shí)，硼原子與周圍的四個(gè)硅原子形成共時(shí)，硼原子與周圍的四個(gè)硅原子形成共 價(jià)鍵后，硼原子的外層電子數(shù)將是價(jià)鍵后，硼原子的外層電子數(shù)將是 7 7 ，比穩(wěn)，比穩(wěn) 定結(jié)構(gòu)少一個(gè)價(jià)電子。定結(jié)構(gòu)少一個(gè)價(jià)電子。 B + Si Si Si Si

7、Si Si Si B Si Si Si Si 空穴空穴 2. P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 12 綜上所述，由于摻入雜質(zhì)的不同，產(chǎn)生了綜上所述，由于摻入雜質(zhì)的不同，產(chǎn)生了N N型半導(dǎo)型半導(dǎo) 體和體和P P型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的濃度遠(yuǎn)大型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的濃度遠(yuǎn)大 于本征半導(dǎo)體中載流子的濃度，于本征半導(dǎo)體中載流子的濃度，雖然它們都有一種雖然它們都有一種 載流子占多數(shù)，載流子占多數(shù)，但整個(gè)半導(dǎo)體晶體仍是但整個(gè)半導(dǎo)體晶體仍是電中性電中性的的。 摻摻硼硼半導(dǎo)體中，半導(dǎo)體中，空穴空穴數(shù)目遠(yuǎn)大于數(shù)目遠(yuǎn)大于自由電子自由電子數(shù)目。數(shù)目。 主要靠空穴導(dǎo)電主要靠空穴導(dǎo)電,稱為稱為空穴半導(dǎo)體空穴半導(dǎo)體或

8、或P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 空穴空穴為多數(shù)載流子，為多數(shù)載流子，自由電子自由電子是少數(shù)載流子。是少數(shù)載流子。 因?yàn)檩d流子帶正電或負(fù)電，原子則相反帶負(fù)因?yàn)檩d流子帶正電或負(fù)電，原子則相反帶負(fù) 電或帶正電，整個(gè)晶體不帶電。電或帶正電，整個(gè)晶體不帶電。 13 14 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng) 少子的漂移運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng) 濃度差濃度差 擴(kuò)散的結(jié)果使空擴(kuò)散的結(jié)果使空 間電荷區(qū)變寬。間電荷區(qū)變寬。 空間電荷區(qū)也稱空間電荷區(qū)也稱 PN 結(jié)結(jié) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū) 15 PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 P接

9、正、接正、N接負(fù)接負(fù) 外電場(chǎng)外電場(chǎng) IF 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng) PN + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 16 + 17 內(nèi)電場(chǎng)被加內(nèi)電場(chǎng)被加 強(qiáng)，少子的漂強(qiáng)，少子的漂 移加強(qiáng)，由于移加強(qiáng)，由于 少子數(shù)量很少，少子數(shù)量很少， 形成很小的反形成很小的反 向電流。向電流。IR + 18 19 陰極引線陰極引線 陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線 二氧化硅保護(hù)層二氧化硅保護(hù)層 P型硅型硅 N型硅型硅 ( c ) 平面型 平面型 金屬觸絲金屬觸絲 陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線 N型鍺片型鍺片 陰極引線陰極引線 外殼外殼 ( a ) 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型 鋁合金小球鋁合金小球 N型硅型硅 陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線

10、 PN結(jié)結(jié) 金銻合金金銻合金 底座底座 陰極引線陰極引線 ( b ) 面接觸型面接觸型 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極 ( d ) 符號(hào)符號(hào) D 20 反向擊穿反向擊穿 電壓電壓U(BR) 反向特性反向特性 U I P N + P N + 21 22 23 定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài) 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的， 24 例例1： D 6V 12V 3k B A UAB + 25 例例2: mA4 3 12 2D I B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + 26 V sin18 i tu

11、 t 27 UZ IZ IZM UZ IZ _ + U I O 28 7.4.1 伏安特性伏安特性 U(V) 0.4 0 0.8 -8-4 I (mA) 20 40 10 -20 -10 30 -12 反向 正向 穩(wěn)壓管正常工作于穩(wěn)壓管正常工作于反向擊穿區(qū)反向擊穿區(qū)， 常見(jiàn)電路如下：常見(jiàn)電路如下： U i R U o R L 在電路中穩(wěn)壓管是在電路中穩(wěn)壓管是反向聯(lián)接反向聯(lián)接的。的。 當(dāng)當(dāng)U i大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，穩(wěn)大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，穩(wěn) 壓管被擊穿（壓管被擊穿（在一定的電流范圍內(nèi) 可逆），電流將增大，電阻），電流將增大，電阻R兩端兩端 的電壓增大，穩(wěn)壓管兩端的電壓基的電壓增大，穩(wěn)壓管兩

12、端的電壓基 本不變，輸出電壓本不變，輸出電壓U o等于等于U z 。 29 1 1、穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓Uz 指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的端電壓指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的端電壓。 同一型號(hào)穩(wěn)壓管同一型號(hào)穩(wěn)壓管UZ 也不一定相等。也不一定相等。 2 2、穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ 正常工作的參考電流值。正常工作的參考電流值。 每種型號(hào)穩(wěn)壓管都規(guī)定有一個(gè)每種型號(hào)穩(wěn)壓管都規(guī)定有一個(gè) 最大穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流IZM，超過(guò)它，易，超過(guò)它，易 發(fā)生熱擊穿（不可逆），穩(wěn)壓發(fā)生熱擊穿（不可逆），穩(wěn)壓 管損毀管損毀, ,I IZIZM。 U(V) 0 I (mA) 反向 正向 UZ IZ 7.4.2 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

13、30 3 3、電壓溫度系數(shù)、電壓溫度系數(shù) U U 說(shuō)明說(shuō)明穩(wěn)壓值受溫度影響的參數(shù)，越小越好穩(wěn)壓值受溫度影響的參數(shù)，越小越好。 如：穩(wěn)壓管如：穩(wěn)壓管2CW182CW18的電壓溫度系數(shù)為的電壓溫度系數(shù)為0.095% / 0.095% / C C 假如在假如在20 20 C C時(shí)的穩(wěn)壓值為時(shí)的穩(wěn)壓值為11V11V，當(dāng)溫度升高到，當(dāng)溫度升高到 50 50 C C時(shí)的穩(wěn)壓值將為時(shí)的穩(wěn)壓值將為 V3 .1111)2050( 100 095. 0 11 特別說(shuō)明：特別說(shuō)明：穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)有正負(fù)之別。穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)有正負(fù)之別。 0V6U V6U 0V6U UZ UZ UZ 很小 因此選用因此選用6

14、V6V左右的左右的 穩(wěn)壓管，具有較好穩(wěn)壓管，具有較好 的溫度穩(wěn)定性。的溫度穩(wěn)定性。 7.4.2 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 31 4 4、動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電阻rZ 穩(wěn)壓管子端電壓和通過(guò)其電流的變化量之 穩(wěn)壓管子端電壓和通過(guò)其電流的變化量之 比。比。穩(wěn)壓管的反向伏安特性曲線越陡，則穩(wěn)壓管的反向伏安特性曲線越陡，則 動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓效果越好。動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓效果越好。 U(V) 0 I (mA) 反向 正向 UZ IZ Z Z Z I U r IZm IZ UZ 5 5、最大允許耗散功耗、最大允許耗散功耗PZM 保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最 大功率損耗。大功率損耗。

15、 其值為穩(wěn)定電壓和允許的最大其值為穩(wěn)定電壓和允許的最大 電流乘積電流乘積 ZMZZM IUP 7.4.2 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 32 例例 電路如圖，通過(guò)穩(wěn)壓管的電流電路如圖，通過(guò)穩(wěn)壓管的電流I IZ Z等于多少？等于多少？ 解：解： UR=20-12=8V IZ=IR=8/1.6=5mA18mA 若若R1=12k，I1=? IZ=？ RL=12k I1=？ I1=UZ/RL=12/12=1mA IZ=IR-I1=5-1=4mA +20V IZ R=1.6k Uz=12V IZM=18mA + DZ - IR 33 NNP B E C B E C IB IE IC B E C IB

16、 IE IC 34 35 E EB RB RC B E C + + + - - B E C - - - + + 36 37 B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO 38 IC IB B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO B C CBOB CBOC BE CE I I II II I I CEOBCBOBC )(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略 39 即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部 載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析 放大電路的依據(jù)。放大電路的依據(jù)。 重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線 40 共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路 輸入回路輸入回路 輸出回路輸出回路 IC EB mA A V UCE UBE RB IB EC V + + + + 41 常常數(shù)數(shù) CE )( BEB U UfI IB( A) UBE(V) 20 40 60 8