第十四章 半導(dǎo)體器件

1、1電工學(xué)下冊電工學(xué)下冊 電子技術(shù)電子技術(shù)電控學(xué)院電控學(xué)院 袁海英袁海英2模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)平時成績平時成績: 30期末考試期末考試: 70總學(xué)時：總學(xué)時：80學(xué)時學(xué)時理論課實驗課理論課實驗課341.1.掌握二極管、穩(wěn)壓管、三極管的工作原理、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、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。三極管的應(yīng)用方法。2.2.理解理解PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；和電流放大作用；3.3.了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造。了解二

2、極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造。5重點重點: :二極管二極管 三極管三極管 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管6導(dǎo)體：導(dǎo)體：自然界中自然界中容易導(dǎo)電容易導(dǎo)電的物質(zhì)的物質(zhì)（大多數(shù)金屬）（大多數(shù)金屬）。絕緣體：絕緣體：幾乎幾乎不導(dǎo)電不導(dǎo)電的物質(zhì)的物質(zhì)（橡皮、陶瓷、塑料和石英）（橡皮、陶瓷、塑料和石英）。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間之間的物質(zhì)的物質(zhì)（鍺、硅鍺、硅 、砷化鎵和一些硫化物、氧化物）、砷化鎵和一些硫化物、氧化物）。7 當(dāng)受外界熱和光的作用時，其導(dǎo)電能力明顯變化。當(dāng)受外界熱和光的作用時，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)，會改善其導(dǎo)電性。往純凈半導(dǎo)體中摻入某些雜

3、質(zhì)，會改善其導(dǎo)電性。-8常見半導(dǎo)體常見半導(dǎo)體和和原子結(jié)構(gòu)中原子結(jié)構(gòu)中, ,最外最外層電子都是四個層電子都是四個, ,稱為稱為“”。 GeSi原子結(jié)構(gòu)圖中，最外層的電子。原子結(jié)構(gòu)圖中，最外層的電子。9完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。共價健共價健 Si Si Si Si價電子價電子14.1.2 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體鄰近的兩個原子鄰近的兩個原子各出一個價電子，各出一個價電子，構(gòu)成共價鍵。構(gòu)成共價鍵。10共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對SiSiSiSi共價鍵中，兩個價電子被緊緊束縛共價鍵中，兩個價電子被緊緊束縛, ,熱力學(xué)溫度零熱力學(xué)溫度零度（度（T=0K,-273

4、T=0K,-273 C C）下束縛電子很難脫離共價鍵成為）下束縛電子很難脫離共價鍵成為自自由電子由電子。結(jié)論：結(jié)論：本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，導(dǎo)電能力很弱。本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，導(dǎo)電能力很弱。電子？價電子？電子？價電子？自由電子？自由電子？11SiSiSiSi空穴空穴價電子價電子自由電子自由電子12SiSiSiSi外電場作用下，空穴外電場作用下，空穴吸引臨近的價電子來填補(bǔ)。吸引臨近的價電子來填補(bǔ)。自由電子和自由電子和空穴空穴，同時又，同時又。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到，半導(dǎo)體中維持一定數(shù)目的載流子。半導(dǎo)體中維持一定數(shù)目的載流子。相當(dāng)于空穴的

5、遷移相當(dāng)于空穴的遷移（正電荷的移動）（正電荷的移動）空穴也是載流子！空穴也是載流子！13本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理：自由電子和空穴：自由電子和空穴 本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目少本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目少, 導(dǎo)電性能差。導(dǎo)電性能差。兩端外加電壓時，出現(xiàn)兩部分電流：兩端外加電壓時，出現(xiàn)兩部分電流： 自由電子自由電子作定向運動作定向運動 電子電流電子電流價電子價電子遞補(bǔ)空穴遞補(bǔ)空穴 空穴電流空穴電流1414.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體15N型型半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（電子電子半導(dǎo)體）：摻入半導(dǎo)體）：摻入五價五價雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素（如磷）使（如磷）使自由電子自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體濃度大大增加

6、的雜質(zhì)半導(dǎo)體。P型型半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（空穴空穴半導(dǎo)體）：摻入半導(dǎo)體）：摻入三價三價雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素（如硼）使（如硼）使空穴空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。兩類半導(dǎo)體兩類半導(dǎo)體16SiSiP+Si多余電子多余電子磷原子磷原子N N型半導(dǎo)體中，型半導(dǎo)體中，自由電子是多子，自由電子是多子，主要由雜質(zhì)原子提供；主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少子空穴是少子, , 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 Si Si Si Sip+多多余余電電子子磷原子磷原子在常溫下即可在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮幼優(yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€失去一個電子變?yōu)殡娮幼優(yōu)椴荒芤苿硬荒芤苿拥恼x子的正離子18N N型半導(dǎo)體中的載流子是什

7、么？型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1 1、由雜質(zhì)原子提供的自由電子，濃度與、由雜質(zhì)原子提供的自由電子，濃度與雜質(zhì)雜質(zhì)原子相同。原子相同。2 2、本征半導(dǎo)體中由熱激發(fā)成對產(chǎn)生電子和空穴。、本征半導(dǎo)體中由熱激發(fā)成對產(chǎn)生電子和空穴。3 3、摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度。、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。自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。 自由電子稱為自由電子稱為多子多子，空穴稱為，空穴稱為少子少子。 Si Si Si SiB硼原子硼原子接受一個接受一個電子變?yōu)殡娮幼優(yōu)椴荒芤苿硬荒芤苿拥呢?fù)離子的負(fù)離子空穴空穴無論無論N N型或型或P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體均呈中性，均呈中

8、性，對外不呈電性。對外不呈電性。20SiSiB-Si空穴空穴硼原子硼原子P P型半導(dǎo)體中，型半導(dǎo)體中，主要由雜質(zhì)原子提供；，主要由雜質(zhì)原子提供；, , 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。21雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體222314.2 PNPN結(jié)及半導(dǎo)體二極管結(jié)及半導(dǎo)體二極管14.2.1 PN 空間空間電荷區(qū)電荷區(qū)PN 內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向擴(kuò)散運動漂移運動空穴空穴自由電子自由電子24多子的擴(kuò)散運動多子的擴(kuò)散運動濃度差濃度差形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場14.2.1 PN 結(jié)形成結(jié)形成內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場

9、促使少子漂移內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散最后最后,多子的擴(kuò)散多子的擴(kuò)散和和少子的漂移少子的漂移達(dá)到達(dá)到動態(tài)平衡動態(tài)平衡。形。形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)（成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)（PN結(jié)）。結(jié)）。25內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場+14.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?變薄變薄內(nèi)電場被削弱，多子內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。較大的擴(kuò)散電流。 P P接正、接正、N N接負(fù)接負(fù) (1)(1)( (正偏正偏):):外加電壓使外加電壓使P P區(qū)電位高于區(qū)電位高于N N區(qū)電位；區(qū)電位； 26內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場+ +(2)(2)( (反偏反偏):):外加電壓使外

10、加電壓使P P區(qū)電位低于區(qū)電位低于N N區(qū)電位；區(qū)電位； +變寬變寬內(nèi)電場被加強(qiáng)，多子擴(kuò)內(nèi)電場被加強(qiáng)，多子擴(kuò)散受抑制。少子漂移加散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但有限的少子只能強(qiáng)，但有限的少子只能形成較小的反向電流。形成較小的反向電流。 P P接負(fù)接負(fù)、N N接正接正0I 271.PN1.PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流：正向擴(kuò)散電流：PNPN結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通。結(jié)結(jié) 論論2.PN2.PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流：反向漂移電流：PNPN結(jié)截止結(jié)截止。PNPN結(jié)具有單向?qū)щ娦越Y(jié)具有單向?qū)?/p>

11、電性! !2814.2.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1. 基本結(jié)構(gòu)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)電容結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻小，用于檢波和變頻等高頻電路。等高頻電路。金屬觸絲金屬觸絲陽極引線陽極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼( a ) 點接觸型點接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽極引線陽極引線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PN結(jié)面積大，用于結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。工頻大電流整流電路。29PN(陽極陽極)(陰極陰極)陰極引線陰極引線陽極引線陽極引線

12、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 ) 平面型平面型用于集成電路制作工藝用于集成電路制作工藝中。中。PNPN結(jié)面積可大可小，結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電用于高頻整流和開關(guān)電路中路中反向擊穿反向擊穿電壓電壓U UBRBR反向特性反向特性PN+PN+2. 二極管伏安特性二極管伏安特性UI)u(fiDD 313. 主要參數(shù)主要參數(shù)(1) 最大整流電流最大整流電流IOM(2) 反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR(4) 反向峰值電流反向峰值電流IRM允許流過二極管的最大正向平均電流允許流過二極管的最大正向平均電流. .(3) 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓URWM：約約（1/2

13、1/3）UBR32iDvDIDVDQ iD vD二極管特性曲線工作點二極管特性曲線工作點Q附附近近電壓變化電壓變化與與電流變化電流變化之比：之比：DDDivr r rD D是對是對Q附近的微小變化量附近的微小變化量的電阻。的電阻。（5 5）微變電阻）微變電阻r rD D331.1.考慮正向壓降的等效電路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考慮正向壓降的等效電路(a) (a) 特性曲線的近似特性曲線的近似(b) (b) 等效電路等效電路2.2.理想二極管等效電路理想二極管等效電路理想二極管等效電路理想二極管等效電路(a) (a) 特性曲線的近似特性曲線的近似(b) (

14、b) 等效電路等效電路（一）（一）等效電路等效電路4. 二極管的等效電路及應(yīng)用二極管的等效電路及應(yīng)用UPN UT ; D導(dǎo)通導(dǎo)通；UPN=UD。UPNUT ; D截至截至；UPN開路開路。UPN 0V ; D導(dǎo)通導(dǎo)通；UPN=0V。UPN0V ; D截至截至；UPN開路開路。(b)KUDP N34RLuiuouiuott（二）二極管的應(yīng)用（二）二極管的應(yīng)用3536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)通截止截止分析方法分析方法理想二極管：理想二極管：37D6V12V3k BAUAB+38 V sin18itu t 39mA43122D I BD16V12V3k AD

15、2UAB+D2 起鉗位作用，起鉗位作用，D1起隔離作用。起隔離作用。UZIZIZM UZ IZ_+UIO41（4 4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ最大、最小穩(wěn)定電流最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5 5）最大允許功耗最大允許功耗maxZZZMIUP （1 1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ（2 2）電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù)( ( U%/) )（3 3）動態(tài)電阻動態(tài)電阻ZZIUZr 穩(wěn)壓管正常工作穩(wěn)壓管正常工作( (反向擊穿反向擊穿) )時管子兩端的電壓。時管子兩端的電壓。愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。42LRRRiZiLi+_iuou+_穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時正常穩(wěn)

16、壓時:ZOUU穩(wěn)壓條件穩(wěn)壓條件:maxminZZZIII必須加限流電阻必須加限流電阻R43晶體管的結(jié)構(gòu)晶體管的結(jié)構(gòu)(a)平面型；平面型； (b)合金型合金型BEP型硅型硅N型硅型硅二氧化碳保護(hù)膜二氧化碳保護(hù)膜銦球銦球N型鍺型鍺N型硅型硅CBECPP銦球銦球(a)(b)44半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)圖。兩類半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)圖。兩類: :NPN型和型和PNP型。型。NPN 型型PNP 型型NPN型符號型符號PNP型符號型符號 發(fā)射極發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極集電極，用C或c表示（Collector）。 基極基極，用B或b表示（Base）45EEBRBRC 三極管的放大作用是在一定的外

17、部條件控制下，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。通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。47BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基區(qū)空穴基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略擴(kuò)散可忽略2. 內(nèi)部載流子的傳輸過程內(nèi)部載流子的傳輸過程VCVBVEEC EB48ICIBBENNPEBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII ，有有忽忽略略 CEOICBCI I 49電流為三極管電流的實際方向電流為三極管電流的實際方向EBCVVV 電流關(guān)系：電流關(guān)系：EBCVVV + UBE ICIEIB CT

18、E B +UCE NPN型三極管型三極管+ UBE IBIEIC CT EB +UCE PNP型三極管型三極管測量數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)BC/ II管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，管子管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映晶體管性能，是內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映晶體管性能，是分析放大電路的依據(jù)。分析放大電路的依據(jù)。51mA AVVICECIBRB+UBE +UCE EBCEB3DG100輸入回路輸入回路輸出回路輸出回路共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路常常數(shù)數(shù) CE)(BEBUUfI3DG100晶體管的晶體管的輸入特性曲線輸入特性曲線O0.40.8IB/ AUBE/VUCE1V60

19、402080非線性！非線性！常常數(shù)數(shù) B)(CECIUfI 共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路ICEC=UCCIBRB+ UBE +UCE EBCEBIC/mAUCE/V100 A80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =03DG100晶體管的輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線在不同的在不同的I IB B下得出不同的曲線，晶體管的輸出特性下得出不同的曲線，晶體管的輸出特性曲線是一簇曲線。曲線是一簇曲線。輸出特性曲線分為三個工作區(qū)對應(yīng)晶體管的三種工作狀態(tài)輸出特性曲線分為三個工作區(qū)對應(yīng)晶體管的三種工作狀態(tài)3DG100晶體管的輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線IC/mA

20、UCE/V100 A80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0常常數(shù)數(shù) B)(CECIUfIIC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0截止時截止時, 集電結(jié)也處于反偏集電結(jié)也處于反偏( (UBC 0) )：IC 0,UCE UCC。截止區(qū)：截止區(qū)：IB = 0 曲線以下區(qū)域。曲線以下區(qū)域。IB = 0 時時, IC = ICEO( (很小，很小，ICEO) )。IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321I

21、B =0 IC UCC/RC 。當(dāng)當(dāng)UCE0) )，晶體管工作于晶體管工作于飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)。57晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流(a)放大放大+ UBE 0 ICIB+UCE UBC 0+(b)截止截止IC 0 IB = 0+ UCE UCC UBC 0 IB+ UCE 0 UBC 0+CCCCRUI 晶體管飽和時，晶體管飽和時，UCE 0，集射間如開關(guān)接通，電阻很小；，集射間如開關(guān)接通，電阻很小；晶體管截止時，晶體管截止時，IC 0，集射間如開關(guān)斷開，電阻很大。，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！晶體管具有放大作用、開關(guān)作用！58 0 0

22、.1 0.5 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.3 0.1 0.7 0.3硅管硅管( (NPN) )鍺管鍺管( (PNP) ) 可靠截止可靠截止開始截止開始截止 UBE/V UBE/VUCE/V UBE/V 截截 止止 放大放大 飽和飽和 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài) 管管 型型晶體管結(jié)電壓的典型值晶體管結(jié)電壓的典型值59工作于動態(tài)的三極管，工作信號是疊加在直流工作于動態(tài)的三極管，工作信號是疊加在直流上的交流信號。基極電流的變化量為上的交流信號?；鶚O電流的變化量為 I IB B，相應(yīng)的集，相應(yīng)的集電極電流變化為電極電流變化為 I IC C。1. 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 和和 共射接法共射接法直流電流放大倍數(shù)直流電流放大倍數(shù)：BCII 交流電流放大倍數(shù)交流電流放大倍數(shù)：BIIC = 反映晶體管特性，是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。反映晶體管特性，是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。6053704051BC.II 400400605132BC .II 612. 集集- -基極反向截止電流基極反向截止電流ICBO AICBOBECICBO是集電結(jié)反偏由少子漂是集電結(jié)反偏由少子漂移形成的反向電流，受溫度移形成的反向電流，受溫度影響大。影響大。溫度溫度ICBO 623.集集- -射極反向截止電流射極反向截止電流ICEO AICEOBEC ICEO: 輸出特性曲線輸