電工學(xué)課件(哈工大)第十五章半導(dǎo)體

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電工學(xué)教研室 第15章 半導(dǎo)體二極管和三極管返回(fnhu)共五十三頁(yè)15.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電(dodin)特性15.2 PN結(jié)15.3 半導(dǎo)體二極管15.4 穩(wěn)壓管15.5 半導(dǎo)體三極管目 錄共五十三頁(yè)15.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電(dodin)特性半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體(dot)和絕緣體之 間的 物質(zhì)。半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性共五十三頁(yè) 本征半導(dǎo)體就是完全(wnqun)純凈的半導(dǎo)體。 應(yīng)用(yngyng)最多的本征半導(dǎo)體為鍺和硅，它們各有四個(gè)價(jià)電子，都是四價(jià)元素.硅的原子結(jié)構(gòu)共五十三頁(yè) 純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體(jngt)結(jié)構(gòu)，所以半導(dǎo)體也

2、稱為晶體(jngt) 晶體管名稱的由來(lái) 本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的共價(jià)(n ji)健結(jié)構(gòu)15.1.1 本征半導(dǎo)體SiSiSiSi共價(jià)鍵價(jià)電子共五十三頁(yè)自由電子(z yu din z)與空穴15.1.1 本征半導(dǎo)體 共價(jià)鍵中的電子在獲得一定(ydng)能量后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴?？昭⊿iSiSiSi自由電子共五十三頁(yè)熱激發(fā)(jf)與復(fù)合現(xiàn)象 由于受熱(shu r)或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象- 熱激發(fā)15.1.1 本征半導(dǎo)體 自由電子在運(yùn)動(dòng)中遇到空穴后，兩者同時(shí)消失，稱為復(fù)合現(xiàn)象 溫度一定時(shí)，本征半導(dǎo)體中的自由電子空穴對(duì)的數(shù)目基本不變。溫度愈高，自由電子空

3、穴對(duì)數(shù)目越多。SiSiSiSi自由電子空穴共五十三頁(yè)半導(dǎo)體導(dǎo)電(dodin)方式 在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電(dodin)和空穴導(dǎo)電(dodin)，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電(dodin)方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電(dodin)原理上的本質(zhì)差別。載流子自由電子和空穴 因?yàn)?，溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能也就愈好，所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能的影響很大。15.1.1 本征半導(dǎo)體SiSiSiSi價(jià)電子空穴 當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流；而空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)共五十三頁(yè)15.1.2 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入微量的磷（或其它(qt)

4、五價(jià)元素）。 自由電子(z yu din z)是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。 電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體SiSiP+Si多余電子共五十三頁(yè)15.1.2 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體 在硅或鍺晶體中摻入硼（或其它(qt)三價(jià)元素）。 空穴是多數(shù)載流子，自由電子(z yu din z)是少數(shù)載流子。 空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。SiSiB-Si空穴共五十三頁(yè)15.1.2 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體 不論N型半導(dǎo)體還是(hi shi)P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個(gè)晶體仍然是不帶電的。返回(fnhu)共五十三頁(yè) 15.2 PN結(jié)15.2.1 PN結(jié)的形成(xngchng)自由電子PN

5、空穴共五十三頁(yè)P(yáng)N結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)(yndng)形成的15.2.1 PN結(jié)的形成(xngchng)自由電子PN 空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向空穴共五十三頁(yè)15.2.1 PN結(jié)的形成(xngchng)擴(kuò)散(kusn)運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)兩者平衡PN結(jié)寬度基本穩(wěn)定外加電壓平衡破壞擴(kuò)散強(qiáng)漂移強(qiáng)PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)截止共五十三頁(yè)15.2.2 PN結(jié)的單向(dn xin)導(dǎo)電性1 外加正向(zhn xin)電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過(guò)PN結(jié)的電流基本是多子的擴(kuò)散電流正向電流+變窄PN內(nèi)電場(chǎng) 方向外電場(chǎng)方向RI共五十三頁(yè)15.2.2 PN結(jié)的單向(dn xin)導(dǎo)電性2

6、外加反向電壓(diny)使PN結(jié)截止 PN結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過(guò)PN結(jié)的電流是少子的漂移電流 -反向電流特點(diǎn): 受溫度影響大原因: 反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的+ - 變 寬PN內(nèi)電場(chǎng) 方向外電場(chǎng)方向RI=0共五十三頁(yè)15.2.2 PN結(jié)的單向(dn xin)導(dǎo)電性結(jié) 論 PN結(jié)具有(jyu)單向?qū)щ娦?（1） PN結(jié)加正向電壓時(shí)，處在導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)電阻很低，正向電流較大。（2）PN結(jié)加反向電壓時(shí)，處在截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電阻很高，反向電流很小。返回共五十三頁(yè)15.3 半導(dǎo)體二極管15.3.1 基本(jbn)結(jié)構(gòu)15.3.2 伏安特性15.3.3 伏安特性的折線化15.3.4 二極管的主要參數(shù)15.

7、3.1 基本(jbn)結(jié)構(gòu)PN結(jié)陰極引線鋁合金小球金銻合金底座N型硅陽(yáng)極引線面接觸型引線外殼觸絲N型鍺片點(diǎn)接觸型表示符號(hào)共五十三頁(yè)15.3.2 伏安(f n)特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓 半導(dǎo)體二極管的伏安(f n)特性是非線性的。共五十三頁(yè)正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓 死區(qū)電壓： 硅管：0.5伏左右(zuyu)，鍺管： 0.1伏左右(zuyu)。 正向壓降： 硅管：0.7伏左右，鍺管： 0.2 0.3伏。15.3.2 伏安(f n)特

8、性1 正向特性共五十三頁(yè)反向電流：反向飽和電流：反向擊穿(j chun)電壓U（BR）15.3.2 伏安(f n)特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓2 反向特性共五十三頁(yè)15.3.4 伏安特性(txng)的折線化U0U0US共五十三頁(yè)15.3.4 主要參數(shù)1 最大整流電流IOM： 二極管長(zhǎng)時(shí)間使用(shyng)時(shí)，允許流過(guò)的最大正向平均電流。2 反向工作峰值電壓URWM: 保證(bozhng)二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。3 反向峰值電流IRM: 二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。共五十三頁(yè)15.3.5

9、應(yīng)用(yngyng)舉例 主要利用二極管的單向(dn xin)導(dǎo)電性。可用于整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)元件。 例: 圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負(fù)電源-12V。VY=+2.7V解：DA優(yōu)先導(dǎo)通， DA導(dǎo)通后， DB上加的是反向電壓，因而截止。DA起鉗位作用， DB起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回共五十三頁(yè)15.4 穩(wěn)壓管 一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定(wndng)電壓的作用。 1 穩(wěn)壓管表示(biosh)符號(hào)： 共五十三頁(yè)正向+-反向+-IZUZ2

10、穩(wěn)壓管的伏安(f n)特性：3 穩(wěn)壓(wn y)管穩(wěn)壓(wn y)原理： 穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時(shí)，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。反向擊穿 是可逆的。 U/VI/mA0IZIZMUZ 共五十三頁(yè)15.4 穩(wěn)壓管4 主要參數(shù)（2）電壓溫度系數(shù) （1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常(zhngchng)工作下管子兩端的電壓。說(shuō)明(shumng)穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)共五十三頁(yè)15.4 穩(wěn)壓管（3）動(dòng)態(tài)(dngti)電阻（4）穩(wěn)定(wndng)電流（5）最大允許耗散功率 rZ穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相

11、應(yīng)的電流變化量的比值IZPZM管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。 PZM=UZIZM共五十三頁(yè)15.4 穩(wěn)壓管例題(lt)+_UU0UZR穩(wěn)壓(wn y)管的穩(wěn)壓(wn y)作用當(dāng)UUZ大于時(shí),穩(wěn)壓管擊穿此時(shí)選R，使IZIZM返回共五十三頁(yè)15.5 半導(dǎo)體三極管15.5.1 基本(jbn)結(jié)構(gòu)15.5.1 基本結(jié)構(gòu)15.5.2 電流分配(fnpi)和放大原理15.5.3 特性曲線15.5.4 主要參數(shù) 結(jié)構(gòu)平面型 合金型 NPN PNP共五十三頁(yè)15.5.1 基本(jbn)結(jié)構(gòu)發(fā)射結(jié)集電結(jié)BNNP發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECNNPBECCEB共五十三頁(yè)發(fā)射結(jié)集電結(jié)BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECPPNBE

12、CCEB15.5.1 基本(jbn)結(jié)構(gòu)共五十三頁(yè)15.5.2 電流(dinli)分配和放大原理AmAmAIBICIERBEC+_EBBCE3DG6共發(fā)射極接法共五十三頁(yè)15.5.2 電流分配(fnpi)和放大原理晶體管電流測(cè)量(cling)數(shù)據(jù)IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05由此實(shí)驗(yàn)及測(cè)量結(jié)果可得出如下結(jié)論： （1） IE=IC+IB 符合基爾霍夫電流定律。 （2） IE和IC比IB 大的多。 （3）當(dāng)IB=0（將基極

13、開(kāi)路）時(shí)， IE=ICEO， ICEO0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBE1 共五十三頁(yè)15.5.3 特性(txng)曲線2 輸出特性曲線(qxin) 晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。UCE/V13436912IC/mA10080604020AIB=002共五十三頁(yè)15.5.3 特性(txng)曲線晶體管的輸出特性曲線(qxin)分為三個(gè)工作區(qū)：（1）放大區(qū)（2）截止區(qū)（3）飽和區(qū)（1）放大區(qū)（線性區(qū)）132436912IC/mA10080604020AIB=00放大區(qū)UCE/V 輸出特性曲線的近似水平部分。 發(fā)射結(jié)處于正向偏置；集電結(jié)處于反向偏置共五十三頁(yè)15.5.3 特性(txng

14、)曲線（2）截止(jizh)區(qū)IB=0曲線以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)IB=0 時(shí)，IC=ICEO0.001mA 對(duì)NPN型硅管而言，當(dāng)UBE0.5V時(shí)，即已開(kāi)始截止，為了截止可靠，常使UBE小于等于零。132436912IC/mA10080604020AIB=00截止區(qū)UCE/V共五十三頁(yè)（3）飽和(boh)區(qū) 當(dāng)UCEUBE時(shí)，集電結(jié)處于正向(zhn xin)偏置，晶體管工作處于飽和狀態(tài) 在飽和區(qū)，IB的變化對(duì)IC的影響較小，兩者不成比例13436912IC/mA10080604020AIB=002飽和區(qū)UCE/V15.5.3 特性曲線共五十三頁(yè)15.5.4 主要參數(shù)1 電流放大系數(shù)：靜態(tài)電流（直流

15、）放大系數(shù)：動(dòng)態(tài)電流（交流）放大系數(shù)注意(zh y)：兩者的含義是不同的，但在特性曲線近于平行等距并且ICEO較小的情況下，兩者數(shù)值較為接近。在估算時(shí)，常用近似關(guān)系（1）（2）對(duì)于同一型號(hào)的晶體管，值有差別，常用晶體管的值在20-100之間。共五十三頁(yè)15.5.4 主要參數(shù)2 集基極反向截止(jizh)電流ICBOICBO=IC|IE=0 ICBO受溫度(wnd)的影響大。在室溫下，小功率鍺管的ICBO約為幾微安到幾十微安，小功率硅管在一微安以下。ICBO越小越好。EC A+_T+_ICB0共五十三頁(yè)15.5.4 主要參數(shù)3 集射極反向(fn xin)截止電流ICEOICEO=IC|IB=0穿

16、透電流ICEO與ICBO的關(guān)系(gun x)：ICBO愈大，愈高的管子，穩(wěn)定性愈差。因此，在選管子時(shí)，要求ICBO盡可能小些，而以不超過(guò)100為宜。共五十三頁(yè)15.5.4 主要參數(shù)4 集電極最大允許(ynx)電流ICM集電極電流IC超過(guò)一定值時(shí)，晶體管的值要下降。當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流。 在使用晶體管時(shí)，IC超過(guò)ICM并不一定會(huì)使晶體管損壞，但以降低 為代價(jià)。5 集射極反向(fn xin)擊穿電壓U（BR）CEO基極開(kāi)路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓。共五十三頁(yè)15.5.4 主要參數(shù)6 集電極最大允許(ynx)耗散功PCM 由于集電極電流(dinli)在流經(jīng)集電結(jié)時(shí)將產(chǎn)生熱量，使結(jié)溫升高，從而會(huì)引起晶體管參數(shù)變化。當(dāng)晶體管因受熱而引起的參數(shù)變化不超過(guò)允許值時(shí)，集電極所消耗的最大功率。PCM=ICUCE共五十三頁(yè)IC/mA0UCE/VICMU(BR)CE0ICEOPCM安全工作區(qū)15.5.4 主要參數(shù)共五十三頁(yè)結(jié) 束第 15 章返回(fnhu)共五十三頁(yè)內(nèi)容摘要哈爾濱工業(yè)大學(xué)。返回。半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性。本征半導(dǎo)體就是完全純凈的半導(dǎo)體。應(yīng)