第三章：半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

1、電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管晶體三極管晶體三極管第二篇第二篇 模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)電子信息系統(tǒng)的組成模擬電子電路模擬電子電路數(shù)字電子電路數(shù)字電子電路傳感器傳感器接收器接收器隔離、濾隔離、濾波、放大波、放大運(yùn)算、轉(zhuǎn)運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、比較換、比較功放功放模擬模擬- -數(shù)字混合數(shù)字混合電子電路電子電路模擬電子系統(tǒng)模擬電子系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識一、一、 基本概念基本

2、概念半導(dǎo)體半導(dǎo)體 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。如硅、鍺等。純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。如硅、鍺等。3.1.1 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體一、一、N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻入微在本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻入微量量五價(jià)元素五價(jià)元素，如磷，如磷( (稱為雜質(zhì)稱為雜質(zhì)) )等，等，可使自由電子的濃度大大增加，自可使自由電子的濃度大大增加，自由電子成為多數(shù)載流子，空穴成為由電子成為多數(shù)載流子，空穴成為少數(shù)載流子，這種少數(shù)載流子，這種以電子導(dǎo)電為主以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱為的半導(dǎo)體稱為N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體

3、。+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由電子自由電子電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)二、二、P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+3+4+4+4+4+4硼硼原子原子空穴空穴 在本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻在本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻入微量入微量三價(jià)元素三價(jià)元素( (如如: :硼硼) )，則，則空穴的濃度大大增加，空穴空穴的濃度大大增加，空穴成為多數(shù)載流子，自由電子成為多數(shù)載流子，自由電子成為少數(shù)載流子，這種成為少數(shù)載流子，這種以空以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱為穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱為P P型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體。空穴數(shù)空穴數(shù) 電子數(shù)電子數(shù)空穴空穴 多子多子電子電子 少子少子載流子數(shù)載流子數(shù) 空穴數(shù)空穴數(shù)3.

4、1.2 PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及單向?qū)щ娦訮NPN結(jié)結(jié)：P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型交界處所形成的結(jié)。型交界處所形成的結(jié)。內(nèi)電場內(nèi)電場P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)3.1.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?. 外加外加正向正向電壓電壓(正向偏置正向偏置) forward biasP區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)內(nèi)電場內(nèi)電場+ UR外電場外電場外電場與內(nèi)電場方向相反，削弱外電場與內(nèi)電場方向相反，削弱內(nèi)電場內(nèi)電場使空間電荷區(qū)變窄使空間電荷區(qū)變窄 IFIF I多子多子限流電阻限流電阻2. 外加外加反向反向電壓（反向偏置電壓（反向偏置) reverse bia

5、s +UR內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場外電場與內(nèi)電場方向相同使內(nèi)外電場與內(nèi)電場方向相同使內(nèi)電場增強(qiáng)，電場增強(qiáng)， 空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬IRIR = I少子少子 0PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。反偏截止，電阻很大，電流近似為零。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流IF漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流IRP區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體二極管（半導(dǎo)體二極管（Semiconductor Diode)3.2.1 二

6、極管的結(jié)構(gòu)和符號二極管的結(jié)構(gòu)和符號構(gòu)成：構(gòu)成：PN結(jié)結(jié) + 引線引線 + 管殼管殼 = 二極管二極管 (Diode)符號：符號：A(陽極陽極)K(陰極陰極)文字符號：文字符號：分類：分類：按材料分按材料分硅二極管硅二極管鍺二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型面接觸型面接觸型平面型平面型電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)3.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性一、一、PN結(jié)的伏安特性方程結(jié)的伏安特性方程即常溫下即常溫下: UT = 26 mV) 1e (/STUuIi反向飽和反向飽和電流電流 IR溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量qkTUT 玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼

7、常數(shù)電子電量電子電量當(dāng)當(dāng)T = 300（27 C）分析：分析：i = 0 0當(dāng)正偏當(dāng)正偏（u 0 0）時(shí)時(shí) i ISeu/UTi 隨隨u 按指數(shù)規(guī)律變化按指數(shù)規(guī)律變化當(dāng)反偏當(dāng)反偏（u 0 0）時(shí)時(shí)i -ISi 與與u 無關(guān)無關(guān)當(dāng)當(dāng) u = 0 0時(shí)時(shí)電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)二、二極管的伏安特性曲線二、二極管的伏安特性曲線OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uon開啟開啟電壓電壓iD = 0Uon = 0.5 V 0.2 V(硅管硅管)(鍺管鍺管)uD Uon時(shí)時(shí)D導(dǎo)通導(dǎo)通 iD 急劇上升急劇上升1. 正向特性正向特性0 uD Uon時(shí)時(shí) UF = 0.6

8、 0.8 V硅管硅管0.7 V0.1 0.3 V鍺管鍺管0.2 V反向特性反向特性ISU (BR)反向擊穿反向擊穿2. 反向特性反向特性 uD U（BR） iD = -IS (反向飽和電流反向飽和電流) 0.1 A(硅硅) 幾十幾十 A (鍺鍺) 3. 3.反向擊穿特性反向擊穿特性 uD U（BR）反向電流急劇增大反向電流急劇增大 (反向擊穿反向擊穿)導(dǎo)通導(dǎo)通電壓電壓電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)三、三、 溫度對二極管特性的影響溫度對二極管特性的影響T 升高時(shí)，升高時(shí)，UF減小，減小，IR增大增大UF 以以 2 2.5 mV/ C減小減小 IR 以以2 IR /

9、10 C 增大增大604020 0.02O 0.42550iD / mAuD / V20 C90 C 例例11 如圖所示整流電路中，二極管如圖所示整流電路中，二極管D D為理想二極管，已知輸為理想二極管，已知輸入電壓入電壓u ui i為正弦波，試畫出輸出電壓波形。為正弦波，試畫出輸出電壓波形。例1題圖電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)3.2.3 特殊二極管特殊二極管1、伏安特性、伏安特性iZ /mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ符號符號特性特性工作條件：工作條件：反向擊穿反向擊穿2、使用穩(wěn)壓管的注意事項(xiàng)、使用穩(wěn)壓管的注意事項(xiàng)（2）穩(wěn)壓管工作

10、時(shí)的電流應(yīng)在穩(wěn)壓管工作時(shí)的電流應(yīng)在IZ和和IZM之間。之間。 電路中必須電路中必須串接限流電阻串接限流電阻。（3）穩(wěn)壓管可以穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用串聯(lián)使用，串聯(lián)后的穩(wěn)壓值為各管穩(wěn)壓值，串聯(lián)后的穩(wěn)壓值為各管穩(wěn)壓值之和，但之和，但不能并聯(lián)使用不能并聯(lián)使用，以免因穩(wěn)壓管值的差異造成各，以免因穩(wěn)壓管值的差異造成各管電流分配不均勻，引起管子過載損壞。管電流分配不均勻，引起管子過載損壞。（1）穩(wěn)壓管必須工作在穩(wěn)壓管必須工作在反向偏置反向偏置(利用正向特性穩(wěn)壓除外利用正向特性穩(wěn)壓除外);一、穩(wěn)壓二極管一、穩(wěn)壓二極管 例例：兩個(gè)硅穩(wěn)壓管兩個(gè)硅穩(wěn)壓管（8V和和7.5V）相串聯(lián)）相串聯(lián)能得到幾組值？能得到幾組值？答案

11、答案：四組：四組 1.4V 8.2V 8.7V 15.5V 電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)二、發(fā)光二極管二、發(fā)光二極管 LED(Light Emitting Diode)1. 符號和特性符號和特性工作條件：工作條件：正偏正偏一般工作電流幾十一般工作電流幾十mA， 導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓1 2V符號符號u /Vi /mAO2特性特性2. 主要用途主要用途發(fā)光、電光轉(zhuǎn)換、構(gòu)成光電耦合器件發(fā)光、電光轉(zhuǎn)換、構(gòu)成光電耦合器件三、光敏二極管（光電二極管）三、光敏二極管（光電二極管）1符號和特性符號和特性符號符號工作條件：工作條件：反反偏偏2. 主要用途主要用途: 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換5

12、.2.4 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù) (自學(xué)自學(xué))電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)(Bipolar Junction Transistor)3.3.1 三極管的結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)與符號一、結(jié)構(gòu)與符號NNP發(fā)射極發(fā)射極E基極基極B集電極集電極C發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié) 基區(qū)基區(qū) 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū) 集電區(qū)集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型型ECBPPNEBCECBPNP型型二、分類：二、分類：按材料分：按材料分：硅管、鍺管硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP按使用頻率分按使用頻率分高頻管高頻管低頻管低頻管按功率分按功率分小

13、功率管小功率管 1 W電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)3.3.2 BJT的電流分配與放大原理的電流分配與放大原理一、一、 BJT處于放大狀態(tài)的工作條件處于放大狀態(tài)的工作條件內(nèi)部內(nèi)部條件條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大集電結(jié)面積大外部外部條件條件發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏1. 滿足放大條件的三種電路滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發(fā)射極共發(fā)射極共集電極共集電極共基極共基極重點(diǎn)：重點(diǎn)：共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路以以BJT的的基極基極作為信號的作為信號的輸入端輸入端，集電極集

14、電極作為作為輸輸出端出端，發(fā)射極發(fā)射極作為輸入和輸出回路的作為輸入和輸出回路的公共端公共端。NPN： UCUBUEPNP：UCUBUE電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)二、二、 BJT的電流分配關(guān)系的電流分配關(guān)系BCEIII BC II BE )1(II 由此可看出由此可看出ICIB，所以所以BJT是一種是一種電流型電流型控制器件?？刂破骷?。3.3.3 BJT的共射特性曲線的共射特性曲線一、輸入特性一、輸入特性常數(shù)常數(shù) CEBEB)(uufi0CE u與二極管特性相似與二極管特性相似BEuBiO0CE uV1CE u0CE uV1CE u特性基本重合特性基本重合特性右

15、移特性右移導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓 UBE（on）Si 管管: 0.6 0.7 VGe管管: 0.1 0.3 V取取 0.7 V取取 0.2 V正常工作時(shí)正常工作時(shí)Si管約管約0.5V，Ge管約管約0.2V輸入輸入回路回路輸出輸出回路回路RCVCCiBIERB+uBE +uCE VBBCEBiC+ + + 電電路路與與 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 第3章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)二、輸出特性二、輸出特性常數(shù)常數(shù) BCEC)(iufi在不同的在不同的 i B 值下，值下，輸出特性曲線是輸出特性曲線是一族曲線一族曲線。 1. 當(dāng)當(dāng)UCE從零增大，從零增大，iC直線上升直線上升iC / mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB =0O 2 4 6 8 4321ICIB2. 當(dāng)當(dāng)UCE1V后后，iC基本保持定值基本保持定值已知工作在放大狀態(tài)的三已知工作在放大狀態(tài)的三極管各腳電位極管各腳電位: U1 = -4V、 U2 = -1.2V、U3 = -1.4 V判斷該三極管的類型、判斷該三極管的類型、材料及電極材料及電極因?yàn)橐驗(yàn)閁1 U3 IBS時(shí)三極管飽和時(shí)三極管飽和uBE U(BR)CEO U(BR)