電工學(xué)下冊課件第1章 常用半導(dǎo)體器件

第1章常用半導(dǎo)體器件1.4半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.11.21.3半導(dǎo)體二極管特殊二極管晶體管2023/2/511.二極管的單向?qū)щ娞匦?/p>

重點：3.理解三極管內(nèi)部載流子的運動2.二極管電路的分析方法4.三極管的放大條件和電流分配關(guān)系2023/2/521.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

在物理學(xué)中根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物體半導(dǎo)體：典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。2023/2/53(可做成溫度傳感器，如熱敏電阻)摻雜性：摻入某種微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管）(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的特性：2023/2/541.本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。單晶硅中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。價電子制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。SiSiSiSi1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性價電子決定導(dǎo)電性能2023/2/55在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛，不會成為自由電子晶體中原子的排列方式1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。自由電子濃度決定導(dǎo)電能力2023/2/56SiSiSiSi價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電）本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理1）本征激發(fā)（熱激發(fā)）空穴溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。復(fù)合：自由電子填補空穴同時消失的過程激發(fā)與復(fù)合動態(tài)平衡2023/2/572）兩種載流子自由電子和空穴都稱為載流子1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性2023/2/582）兩種載流子

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，兩部分電流

:注意：自由電子和空穴都稱為載流子自由電子作定向運動電子電流價(束縛）電子填補空穴空穴電流本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能愈好1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性虛擬出來的2023/2/59SiSiSiSi2.N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后,自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價元素p+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)檎x子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體:自由電子--多(數(shù)載流)子

空穴--少(數(shù)載流)子1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性+++++++++2023/2/510SiSiSiSi

因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價元素B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨?fù)離子空穴本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體都是中性的，對外不帶電P型半導(dǎo)體:空穴--多子自由電子--少子1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性－－－－－－－－－2023/2/5113.PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對相反的運動最終達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。++++++++++++++++++++++++形成空間電荷區(qū)PN結(jié)形成－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性2023/2/5123.PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性2023/2/513－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++－－－－－－4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦约诱螂妷海ㄕ蚱茫┛臻g電荷區(qū)變窄

P接正、N接負(fù)

IF

PN結(jié)加正向電壓時，正向電流較大，正向電阻較小，稱PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場外電場內(nèi)電場

多子擴(kuò)散加強

大的擴(kuò)散電流

P區(qū)N區(qū)1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性+–R2023/2/514－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++－－－－－－空間電荷區(qū)變寬加反向電壓（反向偏置）IR

P接負(fù)、N接正溫度對反向電流影響很大–+

PN結(jié)加反向電壓時，反向電流較小，反向電阻較大，稱PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場內(nèi)電場

阻止擴(kuò)散、促進(jìn)少子漂移

很小的漂移電流

1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性2023/2/515要點回顧:半導(dǎo)體半導(dǎo)體特性：熱敏性、光敏性、摻雜性本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體本征激發(fā)N型半導(dǎo)體：P型半導(dǎo)體：電子空穴PN結(jié)形成導(dǎo)電能力很弱自由電子空穴對兩種載流子+++++++++－－－－－－－－－PN結(jié)單向?qū)щ娦哉驅(qū)?、反向截?023/2/516PN結(jié)加正向電壓呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；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。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性2023/2/517

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(a)點接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖1.2半導(dǎo)體二極管1.二極管的結(jié)構(gòu)2023/2/518平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型二極管的代表符號1.2半導(dǎo)體二極管P區(qū)N區(qū)2023/2/519半導(dǎo)體二極管圖片1.2半導(dǎo)體二極管2023/2/5201.2半導(dǎo)體二極管2023/2/5211.2半導(dǎo)體二極管2023/2/522半導(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。1.2半導(dǎo)體二極管2023/2/523半導(dǎo)體三極管的型號第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：3DG110B1.2半導(dǎo)體二極管2023/2/5242.伏安特性硅管0.5V鍺管0.2V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。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0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)(很?。?.2半導(dǎo)體二極管2023/2/525

3.二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1.2半導(dǎo)體二極管正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V理想二極管正向?qū)〞r正向管壓降為零反向截止時相當(dāng)于斷開。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)。分析方法：理想開關(guān)2023/2/526例1

整流電路,畫出vO的波形（a）電路圖1.2半導(dǎo)體二極管vsvovs>0,D導(dǎo)通，vo=vsvs<0,D截止，vo=0半波整流波形2023/2/527例2.單相橋式整流電路

u

正半周，Va>Vb，二極管

D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。－uotRLuiouo1234ab+

–+

–－u

u

負(fù)半周，Vb>Va，二極管

D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止。－+全波整流波形2023/2/528電路如圖，求：UAB

V陽>V陰二極管導(dǎo)通例3：

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。二極管起鉗位作用D6V12V3kBAUAB+–1.2半導(dǎo)體二極管－6V－12V若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V若給定管壓降為0.7V2023/2/529ui>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4：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補償?shù)取i18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––1.2半導(dǎo)體二極管若給定管壓降為0.7V2023/2/5301.2半導(dǎo)體二極管

VD2導(dǎo)通后，uo=0，VD1截止2023/2/5311.3特殊二極管UZ穩(wěn)定電壓IZ穩(wěn)定電流IZM最大穩(wěn)定電流UZ

IZ伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此穩(wěn)定電壓特性，做成穩(wěn)壓管_+UIO1.穩(wěn)壓二極管符號2023/2/532穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時VO=VZ上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ

，VO的波形是怎樣的？1.3穩(wěn)壓二極管UIOIZIZMUZ2023/2/533穩(wěn)壓管的主要參數(shù)動態(tài)電阻穩(wěn)定電流

IZ、最大穩(wěn)定電流

IZM最大允許耗散功率rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。1.3穩(wěn)壓二極管UIOIZIZMUZ穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)PZM=UZIZM穩(wěn)定電壓UZ電壓溫度系數(shù)u2023/2/534（a）符號（b）電路模型（c）特性曲線

1.3特殊二極管2.光敏二極管2023/2/535符號光電傳輸系統(tǒng)

LED工作原理：發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)外加反向偏壓，二極管截止不發(fā)光,當(dāng)外加正向偏壓，二極管導(dǎo)通，因流過正向電流而發(fā)光1.3特殊二極管3.發(fā)光二極管（LED)2023/2/5361.4晶體管（BJT）1.基本結(jié)構(gòu)符號：BECBECNPN型三極管PNP型三極管NNP發(fā)射極集電極NPN型BECPNP型PPNBEC基極發(fā)射極集電極基極電流方向從P到N2023/2/537要點回顧:二極管的伏安特性UI二極管電路的分析方法斷開，分析陰極和陽極的電位穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)硅管0.5V鍺管0.2V導(dǎo)通壓降硅0.7V鍺0.3V死區(qū)電壓PN–+反向擊穿電壓U(BR)2023/2/5381.4晶體管（BJT）1.基本結(jié)構(gòu)符號：BECBECNPN型三極管PNP型三極管NNP發(fā)射極集電極NPN型BECPNP型PPNBEC基極發(fā)射極集電極基極電流方向從P到N2023/2/539基區(qū)：最薄，一般在幾個微米至幾十個微米摻雜濃度很低發(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)：面積最大管芯結(jié)構(gòu)剖面圖2023/2/5402.電流分配和放大原理三極管放大的外部條件EBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

BECNNPPPNBEC

VC>

VB>VE

VE>

VB>VC硅管|VBE|=0.7V鍺管|VBE|=0.3VVB<VEVC<VB2023/2/541發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNPNPN

VC>

VB>VE

VE>

VB>VC硅管|VBE|=0.7V鍺管|VBE|=0.3V測得放大電路中2只晶體管的直流電位如圖所示。在圓圈中畫出管子，并分別說明它們是硅管還是鍺管。

2023/2/542cbeN+NPVEEVCCReRc內(nèi)部載流子的傳輸過程

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。外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

IEIBICIEIENICBO三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

IBE發(fā)射結(jié)集電結(jié)2023/2/543內(nèi)部載流子的傳輸過程發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

2023/2/544各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質(zhì):用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB基極電流BEC2023/2/545三極管的放大作用，主要是依靠發(fā)射區(qū)發(fā)射電子能夠通過基區(qū)，并被集電區(qū)收集而實現(xiàn)的。條件是：內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。小結(jié)：2023/2/5463.三極