第十四章 半導體器件

1電工學下冊電子技術電控學院袁海英2模擬電子技術數(shù)字電子技術平時成績:30％期末考試:70％總學時：80學時理論課＋實驗課3第十四章二極管和晶體管14.1半導體的基礎知識14.2PN結(jié)及半導體二極管14.3穩(wěn)壓管14.4晶體管(半導體三極管)14.5光電器件4本章要求1.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、三極管的應用方法。2.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；3.了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造。5主要內(nèi)容重點:掌握二極管、穩(wěn)壓管、三極管的伏安特性及主要參數(shù)。掌握二極管、三極管的應用方法二極管

三極管

穩(wěn)壓管6§14.1半導體的基本知識14.1.1導體、半導體和絕緣體導體：自然界中容易導電的物質(zhì)（大多數(shù)金屬）。絕緣體：幾乎不導電的物質(zhì)（橡皮、陶瓷、塑料和石英）。半導體：導電特性處于導體和絕緣體之間的物質(zhì)（鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物）。7

半導體的導電特性當受外界熱和光的作用時，其導電能力明顯變化。往純凈半導體中摻入某些雜質(zhì)，會改善其導電性。-------熱敏性和光敏性-------摻雜性8常見半導體硅(Si)和鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)中,最外層電子都是四個,稱為“四價半導體”。

GeSi價電子價電子價電子：原子結(jié)構(gòu)圖中，最外層的電子。9本征半導體：完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健

Si

Si

Si

Si價電子14.1.2本征半導體鄰近的兩個原子各出一個價電子，構(gòu)成共價鍵。10共價鍵共用電子對硅的共價鍵結(jié)構(gòu)SiSiSiSi共價鍵中，兩個價電子被緊緊束縛,熱力學溫度零度（T=0K,-273oC）下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子。結(jié)論：本征半導體中的自由電子很少，導電能力很弱。電子？價電子？自由電子？11SiSiSiSi本征半導體的導電機理空穴

價電子獲得能量（溫升或光照）后，掙脫原子核束縛，成為自由電子（－），同時共價鍵中留下一個空位，成為空穴（＋）。本征激發(fā)現(xiàn)象價電子自由電子12SiSiSiSi現(xiàn)象：外電場作用下，空穴吸引臨近的價電子來填補。過程：自由電子和空穴成對產(chǎn)生，同時又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中維持一定數(shù)目的載流子。結(jié)果：相當于空穴的遷移（正電荷的移動）結(jié)論：空穴也是載流子！13本征半導體的導電機理半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴

溫度載流子數(shù)目半導體導電性。

溫度對半導體器件性能影響很大！本征半導體中載流子數(shù)目少,導電性能差。兩端外加電壓時，出現(xiàn)兩部分電流：

自由電子作定向運動電子電流價電子遞補空穴空穴電流1414.1.3雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體：摻入雜質(zhì)（三價或五價微量元素）的本征半導體。在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)使半導體的某種載流子濃度大大增加改善半導體的導電性15

N型半導體（電子半導體）：摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）使自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體。P型半導體（空穴半導體）：摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）使空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體。兩類半導體16SiSiP+SiN型半導體多余電子磷原子N型半導體中，自由電子是多子，主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少子,

由熱激發(fā)形成。磷原子的最外層有五個價電子：四個與相臨的硅原子形成共價鍵；多出一個電子幾乎不受束縛，易被激發(fā)成為自由電子。摻入五價元素每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。摻雜后自由電子數(shù)目猛增主要導電方式：自由電子導電

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)椴荒芤苿拥恼x子N型半導體18N型半導體中的載流子是什么？1、由雜質(zhì)原子提供的自由電子，濃度與雜質(zhì)原子相同。2、本征半導體中由熱激發(fā)成對產(chǎn)生電子和空穴。3、摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度。自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多子，空穴稱為少子。小結(jié)一下硼原子的最外層有三個價電子，與相臨硅原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴，可能吸引束縛電子來填補。摻入三價元素

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一個電子變?yōu)椴荒芤苿拥呢撾x子空穴P型半導體無論N型或P型半導體均呈中性，對外不呈電性。20SiSiB-Si空穴P型半導體硼原子硼原子接受電子，稱為受主原子。摻雜后空穴數(shù)目猛增。主要導電方式：空穴導電。P型半導體中，空穴是多子，主要由雜質(zhì)原子提供；自由電子是少子,

由熱激發(fā)形成。21雜質(zhì)半導體的示意表示P型半導體N型半導體221.在雜質(zhì)半導體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。2.在雜質(zhì)半導體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。3.當溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba練一練23§14.2PN結(jié)及半導體二極管14.2.1PN結(jié)的形成PN

空間電荷區(qū)PN

內(nèi)電場方向擴散運動漂移運動空穴自由電子擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)（PN結(jié)）。24多子的擴散運動濃度差形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場14.2.1PN結(jié)形成內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場阻止多子擴散最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)（PN結(jié)）。25內(nèi)電場外電場+++－－－－PN14.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?變薄PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)導通。內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。

P接正、N接負(1)PN結(jié)外加正向電壓(正偏):外加電壓使P區(qū)電位高于N區(qū)電位；

26內(nèi)電場外電場+++－－－－+PN(2)PN結(jié)外加反向電壓(反偏):外加電壓使P區(qū)電位低于N區(qū)電位；

++++－－－－變寬PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)截止。內(nèi)電場被加強，多子擴散受抑制。少子漂移加強，但有限的少子只能形成較小的反向電流。

P接負、N接正

271.PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流：PN結(jié)導通。結(jié)論2.PN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：PN結(jié)截止。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?2814.2.3半導體二極管1.基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，構(gòu)成半導體二極管。PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。29二極管符號PN(陽極)(陰極)陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓UBR導通壓降UD

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3V死區(qū)電壓UTPN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。2.二極管伏安特性UI313.主要參數(shù)(1)最大整流電流IOM(2)反向擊穿電壓UBR(4)反向峰值電流IRM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URWM：約（1/2~1/3）UBR32iDvDIDVDQiDvD二極管特性曲線工作點Q附近電壓變化與電流變化之比：rD是對Q附近的微小變化量的電阻。（5）微變電阻rD331.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(a)特性曲線的近似(b)等效電路2.理想二極管等效電路理想二極管等效電路(a)特性曲線的近似(b)等效電路（一）等效電路4.二極管的等效電路及應用UPN>UT;D導通；UPN=UD。UPN≤UT;D截至；UPN開路。UPN>0V;D導通；UPN=0V。UPN≤0V;D截至；UPN開路。(b)KUDPN34RLuiuouiuott（二）二極管的應用(單向?qū)щ娦?1.二極管半波整流整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償?shù)取?5二極管的單向?qū)щ娦裕?）正偏時導通，正向電阻較小，正向電流較大。（2）反偏時截止，反向電阻較大，反向電流很小。（3）外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。?）二極管的反向電流受溫度影響，溫度愈高反向電流愈大。362.二極管電路分析定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止否則，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。理想二極管：正向?qū)ǎ軌航禐榱?短路

反向截止，開關斷開-開路37例1.電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通忽略管壓降，二極管視為短路，UAB=－6V；否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

此處，二極管起鉗位作用。

D6V12V3kBAUAB+–38ui>8V，二極管導通，可看作短路，

uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路，uo=ui例2.

已知理想二極管，試畫出uo波形。8Vui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––39兩個二極管的陰極相連，取B點作參考點，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)先導通，D1截止。忽略管壓降，二極管視為短路，UAB

=0VD1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流:例3

.求UAB。BD16V12V3kAD2UAB+–D2起鉗位作用，D1起隔離作用。14.3穩(wěn)壓二極管1.符號

UZIZIZMUZIZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓穩(wěn)壓管在電路中的穩(wěn)壓作用：穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小。_+UIO41（4）穩(wěn)定電流IZ最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）電壓溫度系數(shù)(U%/℃)（3）動態(tài)電阻

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。42+_+_穩(wěn)壓電路▲正常穩(wěn)壓時:▲穩(wěn)壓條件:▲必須加限流電阻4314.4半導體三極管14.4.1

基本結(jié)構(gòu)晶體管的結(jié)構(gòu)(a)平面型；(b)合金型BEP型硅N型硅二氧化碳保護膜銦球N型鍺N型硅CBECPP銦球(a)(b)44半導體三極管的結(jié)構(gòu)圖。兩類:NPN型和PNP型。NPN 型PNP 型NPN型符號PNP型符號

發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極，用C或c表示（Collector）。

基極，用B或b表示（Base）45基區(qū)：最薄、摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點集電區(qū)：結(jié)面積最大14.4.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNP發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

EBRBECRC

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。47BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略

進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE，多數(shù)擴散到集電結(jié)從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進入集電結(jié)而被收集，形成ICE

集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO2.內(nèi)部載流子的傳輸過程VC>VB>VEECEB＞

發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE48IC=ICE+ICBOICEICIBBENNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度ICEO若IB=0,則

ICICE0C49電流為三極管電流的實際方向電流關系：+UBE

ICIEIB

CTEB+UCENPN型三極管+UBE

IBIEICCTEB+UCEPNP型三極管測量數(shù)據(jù)IE=IC+IB;IE≈IC>>IB

14.4.3特性曲線特性曲線:管子各電極電壓與電流的關系曲線，管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映晶體管性能，是分析放大電路的依據(jù)。

研究特性曲線(1)直觀地分析管子的工作狀態(tài);(2)合理地選擇偏置電路的參數(shù),設計性能良好的電路;?51mAAVVICECIBRB+UBE+UCEEBCEB3DG100

共發(fā)射極接法特性曲線實驗電路輸入回路輸出回路

發(fā)射極是輸入、輸出回路的公共端

共發(fā)射極電路1.

輸入特性正常工作時發(fā)射結(jié)電壓：

NPN型硅管：UBE0.6~0.7VPNP型鍺管：UBE0.2~0.3V3DG100晶體管的輸入特性曲線O0.40.8IB/AUBE/VUCE≥1V60402080死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。非線性！2.輸出特性

共發(fā)射極電路ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEBIC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=03DG100晶體管的輸出特性曲線在不同的IB下得出不同的曲線，晶體管的輸出特性曲線是一簇曲線。輸出特性曲線分為三個工作區(qū)對應晶體管的三種工作狀態(tài)3DG100晶體管的輸出特性曲線IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大區(qū)（線性區(qū)）放大區(qū)：IC=IB，恒流特性。放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)處于反偏，晶體管工作于放大狀態(tài)。Q2Q1大放區(qū)2.輸出特性IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(2)截止區(qū)截止時,集電結(jié)也處于反偏(UBC<

0)：IC0,UCEUCC。截止區(qū)：IB=0曲線以下區(qū)域。IB=0時,IC=ICEO(很小，ICEO<0.001mA)。截止區(qū)IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(3)飽和區(qū)飽和區(qū)：IBIC，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏。

深度飽和時：硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。

IC

UCC/RC。當UCE<UBE時，集電結(jié)正偏(UBC>0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。飽和區(qū)57晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流(a)放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+(b)截止IC0IB=0+UCEUCC

UBC<0++UBE

0

(c)飽和+UBE>

0

IB+UCE0

UBC>0+晶體管飽和時，UCE0，集射間如開關接通，電阻很??；晶體管截止時，IC0，集射間如開關斷開，電阻很大。晶體管具有放大作用、開關作用！58

0

0.10.5

0.1

0.6~0.70.2~0.3

0.30.1

0.7

0.3硅管(NPN)鍺管(PNP)

可靠截止開始截止

UBE/V

UBE/VUCE/VUBE/V

截止

放大

飽和

工作狀態(tài)

管型晶體管結(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上的交流信號?；鶚O電流的變化量為IB，相應的集電極電流變化為IC。1.電流放大倍數(shù)

和共射接法直流電流放大倍數(shù)：BCII=b交流電流放大倍數(shù)：BIICDD=b14.5.4主要參數(shù)反映晶體管特性，是設計電路、選用晶體管的依據(jù)。60例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A，IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A，IC=2.3mA。計算中近似為：IB=020A40A60A80A100A36IC/mA1234UCE/V9120Q1Q2

Q1點：由Q1和Q2點，得612.集-基極反向截止電流ICBOAICBOBECICBO是集電結(jié)反偏由少子漂移形成的反向電流，受溫度影響大。溫度ICBO623.集-射極反向截止電流ICEOAICEOBEC

ICE