第6章 常用半導(dǎo)體器件

第三部分模擬電子電路第6章常用半導(dǎo)體器件第7章放大電路基礎(chǔ)第8章反饋放大器和集成運(yùn)算放大器第9章直流穩(wěn)壓電源

物質(zhì)按導(dǎo)電能力的不同可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體3類。6.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.1半導(dǎo)體材料

（1）物質(zhì)的分類導(dǎo)體——容易導(dǎo)電、電阻率小于10-4Ω·cm的物質(zhì)，例如銅、鋁、銀等金屬材料。絕緣體——很難導(dǎo)電、電阻率大于1010Ω·cm的物質(zhì)，例如塑料、橡膠、陶瓷等材料。半導(dǎo)體——導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、電阻率在10-3～109Ω·cm范圍內(nèi)的物質(zhì)，常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge）等。半導(dǎo)體材料的最外層軌道上的電子是4個(gè)，根據(jù)其特性，可以將半導(dǎo)體材料分成以下五類：元素半導(dǎo)體（元素體本身）化合物半導(dǎo)體（兩種或以上元素的化合物）固溶體半導(dǎo)體（元素化合物互溶而成）非晶態(tài)半導(dǎo)體（非純正晶體結(jié)構(gòu)）有機(jī)半導(dǎo)體（具有半導(dǎo)體性質(zhì)的有機(jī)化合物）（2）半導(dǎo)體的基本特性

①熱敏性——半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加。例如純凈的鍺從20℃升高到30℃時(shí)，它的電阻率幾乎減小為原來(lái)的1/2。②光敏性——半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性叫做光敏性。自動(dòng)控制中用的光電二極管和光敏電阻，就是利用光敏特性制成的。而金屬導(dǎo)體在陽(yáng)光下或在暗處，其電阻率一般沒(méi)有什么變化。③摻雜性——半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力因摻入適量雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化。在半導(dǎo)體硅中，只要摻入億分之一的硼，電阻率就會(huì)下降到原來(lái)的幾萬(wàn)分之一。而金屬導(dǎo)體即使摻入千分之一的雜質(zhì)，對(duì)其電阻率也幾乎沒(méi)有什么影響。

6.1.2本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

1、本征半導(dǎo)體硅和鍺的簡(jiǎn)化原子模型。

晶體結(jié)構(gòu)中的共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力，在沒(méi)有外界能量激發(fā)時(shí)，價(jià)電子沒(méi)有能力掙脫共價(jià)鍵束縛，這時(shí)晶體中幾乎沒(méi)有自由電子，因此很難導(dǎo)電。在有外界能量激發(fā)時(shí)：當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時(shí)，某些共價(jià)鍵中的價(jià)電子因熱激發(fā)而獲得足夠的能量，因而能脫離共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在原來(lái)的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為“空穴”。本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子—空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。顯然在外電場(chǎng)的作用下，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成的電子電流，一是由于價(jià)電子遞補(bǔ)空穴，空穴也產(chǎn)生定向移動(dòng)而形成的空穴電流。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體通過(guò)特殊的擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為N型和P型兩大類。

（1）N型半導(dǎo)體——在純凈的硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的五價(jià)元素，如磷（P）。

在N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱前者為多子，后者為少子。N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，因此也稱為電子型半導(dǎo)體。（2）P型半導(dǎo)體——在純凈的硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的三價(jià)元素，如硼（B）。

P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導(dǎo)電，因此也稱為空穴型半導(dǎo)體。注意：不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但整個(gè)晶體仍然是不帶電的，呈電中性。6.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)的形成

采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成了PN結(jié)。PN結(jié)（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)處于平衡狀態(tài)，稱為平衡PN結(jié)。如果在PN結(jié)兩端外加電壓，就將破壞原來(lái)的平衡狀態(tài)。當(dāng)外加電壓極性不同時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電性能，即呈現(xiàn)單向?qū)щ娦?。①PN結(jié)加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)

PN結(jié)P端接高電位，N端接低電位，稱PN結(jié)外加正向電壓，又稱PN結(jié)正向偏置，簡(jiǎn)稱為正偏，這時(shí)電流I不為零，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。②PN結(jié)加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)

PN結(jié)P端接低電位，N端接高電位，稱PN結(jié)外加反向電壓，又稱PN結(jié)反向偏置，簡(jiǎn)稱為反偏，這時(shí)回路中的反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)

。PN結(jié)的“正偏導(dǎo)通，反偏截止”稱為其單向?qū)щ娦再|(zhì)，這正是PN結(jié)構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

討論題答：這種說(shuō)法是錯(cuò)誤的。因?yàn)?，晶體在摻入雜質(zhì)后，只是共價(jià)鍵上多出了電子或少了電子，從而獲得了N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，但整塊晶體中既沒(méi)有失電子也沒(méi)有得電子，所以仍呈電中性。1、N型半導(dǎo)體中的多子是帶負(fù)電的自由電子載流子，P型半導(dǎo)體中的多子是帶正電的空穴載流子，因此說(shuō)N型半導(dǎo)體帶負(fù)電，P型半導(dǎo)體帶正電。上述說(shuō)法對(duì)嗎？為什么？6.2半導(dǎo)體二極管6.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

將PN結(jié)用外殼封裝起來(lái)，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱二極管。由P區(qū)引出的電極稱為陽(yáng)極，由N區(qū)引出來(lái)的電極為陰極。

常見(jiàn)的二極管有金屬、塑料和玻璃三種封裝形式

二極管的實(shí)物圖穩(wěn)壓管實(shí)物圖二極管的類型

按材料分按結(jié)構(gòu)分按用途分：硅二極管鍺二極管砷化鎵二極管點(diǎn)接觸型二極管面接觸型二極管平面型二極管整流、檢波、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、發(fā)光、光電、快恢復(fù)和變?nèi)荻O管等點(diǎn)接觸型二極管——由一根金屬絲經(jīng)過(guò)特殊工藝與半導(dǎo)體表面相接，形成PN結(jié)。因而結(jié)面積小，不能通過(guò)較大的電流，但其結(jié)電容較小，一般在1pF以下，工作頻率可達(dá)100MHz，因此適用于高頻電路和小功率整流。面接觸型二極管————采用合金法工藝制成的，結(jié)面積大，能夠流過(guò)較大的電流，但其結(jié)電容大，因而只能在較低頻率下工作，一般僅作為整流管。P平面型二極管——采用擴(kuò)散法制成的，結(jié)面積較大的可用于大功率整流，結(jié)面積小的可作為脈沖數(shù)字電路中的開(kāi)關(guān)管。6.2.2半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦?/p>

二極管也具有單向?qū)щ娦?。即加正向電壓（也叫正偏電壓）?dǎo)通；加反向電壓（也叫反偏電壓）截止。

(a)反偏截止；(b)正偏導(dǎo)通6.2.3半導(dǎo)體二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指二極管通過(guò)的電流與其端電壓之間的關(guān)系。(1)正向特性

二極管外加正向電壓較小時(shí)，即仍處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓時(shí)，正向電流才明顯地增大。此區(qū)域稱為死區(qū)。硅二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺二極管的死區(qū)電壓約為0.1V。

導(dǎo)通后二極管的正向壓降變化不大，硅管約為0.6～0.8V，鍺管約為0.2～0.3V。死區(qū)電壓死區(qū)電壓(2)反向特性

二極管外加反向電壓時(shí)，反向電流很小，而且當(dāng)反向電壓超過(guò)零點(diǎn)幾伏以后，反向電流不隨著反向電壓而增大，即達(dá)到了飽和，這個(gè)電流值稱為二極管的反向飽和電流，用符號(hào)IS表示。

當(dāng)反向電壓的值增大到UBR（反向擊穿電壓）時(shí)，反向電流會(huì)急劇增大，二極管失去單向?qū)щ娦裕M(jìn)入反向擊穿區(qū)，稱此現(xiàn)象為反向擊穿，UBR為反向擊穿電壓。反向擊穿電壓

顯然二極管的伏安特性不是直線，因此屬于非線性電阻元件。發(fā)生擊穿并不意味著二極管被損壞。實(shí)際上，當(dāng)反向擊穿時(shí)，只要注意控制反向電流的數(shù)值，不使其過(guò)大，以免因過(guò)熱而燒壞二極管，則當(dāng)反向電壓降低時(shí)，二極管的性能可能恢復(fù)正常。利用二極管的反向擊穿特性，可以做成穩(wěn)壓二極管，但一般的二極管不允許工作在反向擊穿區(qū)，因?yàn)橛捎诜聪螂娏骱艽?，一般?huì)造成熱擊穿，不能恢復(fù)原來(lái)性能，也就是失效了。注意：6.2.4半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)

最大整流電流IFM——允許長(zhǎng)期通過(guò)的最大正向平均電流，其值與PN結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)。有些電流較大的二極管必須按規(guī)定加裝散熱片，否則可能因過(guò)熱而燒壞。(2)

最高反向工作電壓URM——工作時(shí)允許承受的最大反向工作電壓。實(shí)際使用時(shí)，其反向工作電壓不要超過(guò)這一數(shù)值，以免造成二極管反向擊穿而損壞。通常URM為擊穿電壓U(BR)的一半。(3)反向電流IR——指在室溫條件下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時(shí)，流過(guò)管子的反向電流。通常希望IR值越小越好。反向電流越小，說(shuō)明二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?4)最高工作頻率fM——工作的上限頻率，超過(guò)這個(gè)頻率，由于結(jié)電容的作用，二極管將失去單向?qū)щ娦?。小結(jié)：1、半導(dǎo)體的基本特性：熱敏性、光敏性、摻雜性2、半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純凈半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體

(本征激發(fā))

P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）

N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）

3、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)：PN結(jié)、外殼、電極引線4、半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦裕≒N結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫妷簩?dǎo)通；反偏電壓截止。

鍺：0.1V鍺：0.2～0.3V5、正向特性死區(qū)電壓硅：0.5V正向?qū)妷汗瑁?.6～0.8V6、反向特性：反向擊穿現(xiàn)象（熱擊穿）練習(xí)1、二極管電路如圖所示，試判斷各二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出A、O端的電壓UAO（設(shè)二極管為理想二極管）。二極管截止，UAO=-12VVD1截止，VD2導(dǎo)通UAO=-4.5VVD1截止，VD2截止UAO=12V+-（陽(yáng)極）（陰極）DZ電路符號(hào)和文字符號(hào)2CW和2DW系列外形6.3穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型硅二極管，它能在電路中能起穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管的最大特點(diǎn)在于它工作在反向擊穿狀態(tài)，而又不致?lián)p壞。6.3.1穩(wěn)壓管的結(jié)構(gòu)6.3.2穩(wěn)壓管的伏安特性(1)正向特性曲線與普通硅二極管相似；（2）反向擊穿特性較陡，反向擊穿電壓較低（一般穩(wěn)壓管為數(shù)伏至數(shù)十伏），容許通過(guò)的電流也比較大。穩(wěn)壓管通常工作在反向擊穿區(qū)，當(dāng)反向擊穿電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，其兩端電壓變化很小，因而具有穩(wěn)定電壓的作用。只要反向電流不超過(guò)允許范圍，穩(wěn)壓管就不會(huì)發(fā)生熱擊穿而損壞。為此，在電路中，穩(wěn)壓管必須串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮琛?.3.3穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

（1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓。它是穩(wěn)壓二極管正常工作時(shí)，所能提供的穩(wěn)定電壓。（2）穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)定電流就是穩(wěn)壓二極管在反向擊穿狀態(tài)下的最小電流。當(dāng)工作電流小于此值時(shí)，穩(wěn)壓管會(huì)退出擊穿狀態(tài)，失去穩(wěn)壓作用。（3）最大穩(wěn)定電流IZmax最大穩(wěn)定電流就是穩(wěn)壓二極管所允許的最大擊穿電流。超過(guò)此值，管子會(huì)被燒毀。（4）最大允許功耗PZM最大允許功耗就是穩(wěn)壓二極管允許消耗的最大平均功率。超過(guò)此值，管子會(huì)被燒毀。PZM=UZ·IZmax問(wèn)題討論利用穩(wěn)壓管的正向壓降，是否也可以穩(wěn)壓？

利用穩(wěn)壓管的正向壓降是不能進(jìn)行穩(wěn)壓的。因?yàn)榉€(wěn)壓管的正向特性與普通二極管相同，正向電阻非常小，工作在正向?qū)▍^(qū)時(shí)，正向電壓一般為0.6V左右，此電壓數(shù)值一般變化不大。圖所示電路中，硅穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓為10V，DZ2的穩(wěn)定電壓為8V，正向壓降均為0.7V，求各電路的輸出電壓U0。

習(xí)題a：U0=18Vb：U0=8Vc：U0=10.7Vd：U0=0.7V1、發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱LED，是一種把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯是由PN結(jié)組成的，具有單向?qū)щ娦浴?/p>

發(fā)光二極管的發(fā)光顏色決定于所用材料，目前有紅、綠、黃、橙等色，可以制成各種形狀，如長(zhǎng)方形、圓形等。補(bǔ)充內(nèi)容：發(fā)光二極管的特點(diǎn)是：工作電壓很低（有的僅一點(diǎn)幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點(diǎn)幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)；通過(guò)調(diào)制電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。作用：主要應(yīng)用在電路及儀器中作為指示燈和信號(hào)燈，或者組成文字或數(shù)字顯示，如手機(jī)背光燈、液晶顯示器背光燈、照明等領(lǐng)域。

把它的管心做成條狀，用7條條狀發(fā)光管還可以組成七段式半導(dǎo)體數(shù)碼管，每個(gè)數(shù)碼管可顯示0~9十個(gè)數(shù)字。

2、光電二極管光電二極管又稱為光敏二極管，也是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。在電路中通過(guò)它把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。6.4晶體管6.4.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)晶體管是由兩個(gè)背靠背、互有影響的PN結(jié)構(gòu)成的。晶體管有三個(gè)引出電極，人們習(xí)慣上又稱它為晶體三極管或簡(jiǎn)稱三極管。

三極管是放大電路中的核心器件，它是通過(guò)一定的工藝措施，將兩個(gè)PN結(jié)背靠背地有機(jī)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的。按PN結(jié)的組合方式有PNP型和NPN型三極管兩種，它們的工作原理是類似的。

它們所引出的三個(gè)電極分別為基極b、發(fā)射極e和集電極c，對(duì)應(yīng)的每個(gè)區(qū)域稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。基區(qū)很薄且雜質(zhì)濃度很低；發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；集電區(qū)結(jié)面積很大。雖然發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是N型半導(dǎo)體，但是發(fā)射區(qū)比集電區(qū)摻的雜質(zhì)多。在幾何尺寸上，集電區(qū)的面積比發(fā)射區(qū)的大。

晶體管有兩個(gè)結(jié)晶體管有三個(gè)區(qū)晶體管有三個(gè)電極6.4.2晶體管的電流放大原理一般來(lái)說(shuō)，從傳感器獲得的模擬信號(hào)通常都很微弱，只有經(jīng)過(guò)放大后才能進(jìn)一步處理，或者使之具有足夠的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成特定的工作。放大電路的核心器件是晶體管。要使三極管工作在放大狀態(tài)，必須具備兩個(gè)條件：

一是必須以正確的連接方式將三極管接入輸入輸出回路。

二是必須外加正確的直流偏置電壓，即發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置。

按公共端的不同，可連接成三種基本組態(tài)：共發(fā)射極、共基極和共集電極。一是必須以正確的連接方式將三極管接入輸入輸出回路。

(a)共射極;(b)共基極;(c)共集極

二是必須外加正確的直流偏置電壓，即發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置。

三個(gè)電極的電位關(guān)系為UC＞UB＞UE

三個(gè)電極的電位關(guān)系為UC<UB<UE

例:共發(fā)射極電路

(1)三極管各電極電流的關(guān)系滿足

IE=IB+IC(IB很小，IC≈IE)

(2)IC與IB的比值基本保持不變，定義該比值為共射極電路的直流電流放大倍數(shù)，即

(3)IC與IB的變化量ΔIC與ΔIB的比值也基本保持不變，定義該比值為共射極電路的交流電流放大倍數(shù)，即

綜上所述放大電路的最基本特點(diǎn)：①三極管工作在放大狀態(tài)的條件是：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。②放大作用的實(shí)質(zhì)是微小的基極電流變化量△IB控制較大的集電極電流變化量△IC。③三極管是一個(gè)電流控制器件。

三極管的伏安特性曲線包括輸入特性曲線和輸出特性曲線，通常是指三極管的各電極之間電流、電壓之間的關(guān)系。

(1)輸入特性曲線——指在集電極和發(fā)射極之間的管壓降UCE一定時(shí)，

IB（基極電流）與UBE之間的關(guān)系曲線。

硅管的死區(qū)電壓