第七版-第14章 半導(dǎo)體器件-2012

第14章半導(dǎo)體器件14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?4.3二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5雙極型晶體管14.6光電器件目錄14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性本征半導(dǎo)體就是完全純凈的半導(dǎo)體。應(yīng)用最多的本征半導(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)14.1.1本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體結(jié)構(gòu)，所以半導(dǎo)體也稱為晶體

——晶體管名稱的由來本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)SiSiSiSi共價(jià)鍵價(jià)電子自由電子與空穴共價(jià)鍵中的電子在獲得一定能量后，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。空穴SiSiSiSi自由電子SiSiSiSi熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象

由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象--熱激發(fā)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—空穴對(duì)數(shù)目越多。半導(dǎo)體導(dǎo)電方式在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(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。SiSiSiSi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)。14.1.2N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（或其它五價(jià)元素）。自由電子是多數(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P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入硼（或其它三價(jià)元素）。空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子?？昭ㄐ桶雽?dǎo)體或P型半導(dǎo)體。SiSiB-Si空穴

不論N型半導(dǎo)體還是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。14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流基本是多數(shù)載流子的擴(kuò)散電流——正向電流–+PNRI2外加反向電壓使PN結(jié)截止PN結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過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–+PNRI≈0結(jié)論P(yáng)N結(jié)具有單向?qū)щ娦裕?）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。14.3

二極管14.3.1基本結(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)14.3.2伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓

半導(dǎo)體二極管的伏安特性是非線性的。

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管：0.1伏左右。正向壓降：硅管：0.7伏左右，鍺管：0.2~0.3伏。1正向特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓反向擊穿電壓U（BR）2反向特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓14.3.3主要參數(shù)1最大整流電流IOM：二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，允許流過的最大正向平均電流。2反向工作峰值電壓URWM:

保證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。主要利用二極管的單向?qū)щ娦浴？捎糜谡鳌z波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(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。設(shè)二極管正向壓降0.3vVY=+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。Y-12VAB+3V0VDBDAR

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止

若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。D6V12V3kBAUAB+–兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UABBD16V12V3kAD2UAB+–ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：ui18V二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––14.4穩(wěn)壓二極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)定電壓的作用。1穩(wěn)壓管表示符號(hào)：

正向+-反向+-IZUZ2穩(wěn)壓管的伏安特性：3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理：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

4主要參數(shù)（2）電壓溫度系數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)

（3）動(dòng)態(tài)電阻（4）穩(wěn)定電流（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

例題+_UU0UZR穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當(dāng)U<UZ

時(shí),電路不通；當(dāng)U>UZ

時(shí),穩(wěn)壓管擊穿;此時(shí)選R，使IZ<IZM14.5雙極型晶體管14.5.1基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)平面型合金型NPNPNPNNPBECCEB發(fā)射結(jié)集電結(jié)BNNP發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)EC發(fā)射極基極集電極PPNBECCEB發(fā)射結(jié)集電結(jié)BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)EC發(fā)射極基極集電極14.5.2電流分配和放大原理μAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共發(fā)射極接法晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)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（將基極開路）時(shí)，IE=ICEO，ICEO<0.001mAECμAmAmAIBICIERBEBBCEIB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05用載流子在晶體管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來解釋上述結(jié)論。

外部條件：發(fā)射結(jié)加正向電壓；集電結(jié)加反向電壓。RBEC++__EBEBCNNP電流方向和發(fā)射結(jié)與集點(diǎn)結(jié)的極性CEBCEB14.5.3

特性曲線用來表示該晶體管各極電壓和電流之間相互關(guān)系、反映晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。

以共發(fā)射極接法時(shí)的輸入特性和輸出特性曲線為例。μAmAVIBICRBEC++__EBBE3DG6V+_+_UBEUCEC1輸入特性曲線：死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管0.1伏左右。正常工作時(shí)，發(fā)射結(jié)的壓降：

NPN型硅管UBE=0.6-0.7V;PNP型鍺管UBE=0.2-0.3V。00.40.8UBE/VIB/μA80604020UCE>1

μAmAVIBICRBEC++__EBBE3DG6V+_+_UBEUCEC2輸出特性曲線

晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。μAmAVIBICRBEC++__EBBE3DG6V+_+_UBEUCECUCE/V13436912IC/mA10080604020μAIB=002晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。晶體管的輸出特性曲線分為三個(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)）1324369IC/mA10080604020μAIB=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（2）截止區(qū)IB=0曲線以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)

對(duì)NPN型硅管而言，當(dāng)UBE〈0.5V時(shí)，即已開始截止，為了截止可靠，常使UBE小于等于零。132436912IC/mA10080604020μAIB=00截止區(qū)UCE/V（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCE〈UBE時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置，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/mA10080604020μAIB=002飽和區(qū)UCE/VIC+_+_+_IBUCEUBC<0UBE>0放大區(qū)IC≈0+_+_+_IB=0UCE≈UCCUBC<0UBE≤0截止區(qū)IC≈+_+_+_IB≥I'BUCE≈0UBC>0UBE>0飽和區(qū)UCCRC14.5.4主要參數(shù)1電流放大系數(shù)：靜態(tài)電流（直流）放大系數(shù)：動(dòng)態(tài)電流（交流）放大系數(shù)注意：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。2集—基極反向截止電流ICBOICBO=IC|IE=0ICBO受溫度的影響大。在室溫下，小功率鍺管的I