半導(dǎo)體與三極管

半導(dǎo)體與三極管第1頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性15.2PN結(jié)15.3半導(dǎo)體二極管15.4穩(wěn)壓管15.5半導(dǎo)體三極管目錄第2頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.1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)。（如硅、鍺、硒及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物）物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電性能分為:

絕緣體：導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)。導(dǎo)體：導(dǎo)電能力良好的物質(zhì)。第3頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有獨(dú)特的性質(zhì)。①溫度升高時(shí)，純凈的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著增加；②純凈的半導(dǎo)體受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯提高；③在純凈半導(dǎo)體材料中加入微量的“雜質(zhì)”元素，它的電導(dǎo)率就會(huì)成千上萬倍地增長。第4頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月原子的組成：帶正電的原子核；若干個(gè)圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的帶負(fù)電的電子；且整個(gè)原子呈電中性。15.1.1本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，半導(dǎo)體。半導(dǎo)體器件的材料：硅（Silicon-Si）：四價(jià)元素，硅的原子序數(shù)是14，外層有4個(gè)電子。鍺（Germanium-Ge）：也是四價(jià)元素，鍺的原子序數(shù)是32，外層也是4個(gè)電子第5頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)第6頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)電子共價(jià)?。河上噜弮蓚€(gè)原子各拿出一個(gè)價(jià)電子組成價(jià)電子對(duì)所構(gòu)成的聯(lián)系。第7頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月自由電子與空穴

共價(jià)鍵中的電子在獲得一定能量后（溫度升高或受光照），即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電）。同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴（帶正電）?？昭⊿iSiSiSi自由電子第8頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月SiSiSiSi自由電子空穴熱激發(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)（或稱為本征激發(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。第9頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月當(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；而空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。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價(jià)電子空穴第10頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那么，電子空穴對(duì)是否會(huì)越來越多，電子和空穴濃度是否會(huì)越來越大呢？實(shí)驗(yàn)表明，在一定的溫度下，電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)定值。半導(dǎo)體中存在載流子的產(chǎn)生過程載流子的復(fù)合過程第11頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月綜上所述：(1)半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴，電子帶負(fù)電，空穴帶正電。(2)本征半導(dǎo)體中，電子和空穴總是成對(duì)地產(chǎn)生。(3)半導(dǎo)體中，同時(shí)存在載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程。第12頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導(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)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。注意：第13頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導(dǎo)體的物理性質(zhì)：純凈的半導(dǎo)體中摻入微量元素，導(dǎo)電能力顯著提高。本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很小，而且受溫度和光照等條件影響甚大，不能直接用來制造半導(dǎo)體器件。摻入的微量元素——“雜質(zhì)”。摻入了“雜質(zhì)”的半導(dǎo)體稱為“雜質(zhì)”半導(dǎo)體。15.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體第14頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月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多余電子第15頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月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。

空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。SiSiB-Si空穴第16頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。返回第17頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月綜上所述：(1)本征半導(dǎo)體中加入五價(jià)雜質(zhì)元素，便形成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，此外還有不參加導(dǎo)電的正離子。(2)本征半導(dǎo)體中加入三價(jià)雜質(zhì)元素，便形成P型半導(dǎo)體。其中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，此外還有不參加導(dǎo)電的負(fù)離子。(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度決定于雜質(zhì)濃度，少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度與溫度有關(guān)第18頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

15.2PN結(jié)PN結(jié)：是指在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處形成的空間電荷區(qū)。PN結(jié)是構(gòu)成多種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。二極管的核心是一個(gè)PN結(jié)；三極管中包含了兩個(gè)PN結(jié)。第19頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.2.1PN結(jié)的形成有電場力作用時(shí)，電子和空穴便產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，稱為漂移運(yùn)動(dòng)（DriftMovement）。由于濃度差而引起的定向運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（DiffusionMovement）。第20頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月自由電子PN空穴第21頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的自由電子PN

空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向空穴第22頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月擴(kuò)散運(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)截止第23頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，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(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)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)第24頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通（正向偏置）PN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流基本是多子的擴(kuò)散電流——正向電流–+變窄PN內(nèi)電場方向外電場方向RI15.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

P接正、N接負(fù)內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。第25頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.外加反向電壓使PN結(jié)截止（反向偏置）

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,溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。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)電場方向外電場方向RI=0

P接負(fù)、N接正內(nèi)電場被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。第26頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

（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。返回第27頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.3半導(dǎo)體二極管15.3.1基本結(jié)構(gòu)15.3.2伏安特性15.3.3二極管的主要參數(shù)15.3.4應(yīng)用舉例15.3.1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)第28頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體二極管圖片第29頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體二極管圖片第30頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.3.2伏安特性正向O

0.4

0.8

U/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。第31頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月正向O

0.4

0.8

U/VI/mA80604020-50-25I/μA-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，鍺管：0.1伏左右。

正向壓降：硅管：0.6~0.7伏左右，鍺管：0.2~0.3伏。1.正向特性第32頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月反向電流：很小。硅管0.1微安鍺管幾十個(gè)微安反向擊穿電壓U（BR）:幾十伏以上。2.反向特性正向O

0.4

0.8

U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓第33頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.3.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM：

二極管長時(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。第34頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。15.3.4應(yīng)用舉例返回例15.3.1R和C構(gòu)成一微分電路。畫出輸出電壓的波形。設(shè)++++----u1uRu0CRRLDu1UtuRu0tt第35頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月例15.3.2:

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。-12VAB+3V0VDBDAY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。VY=+2.7VDA起鉗位作用，

DB起隔離作用。第36頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月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)定電壓的作用。

穩(wěn)壓二極管亦稱齊納二極管(ZenerDiodes)，與一般二極管不同之處是它正常工作在PN結(jié)的反向擊穿區(qū)。因其具有穩(wěn)定電壓作用，故稱為穩(wěn)壓管（VoltageRegulators）。1.穩(wěn)壓管表示符號(hào)：

第37頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月正向+-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

第38頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月4主要參數(shù)（2）電壓溫度系數(shù)

（1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在反向擊穿后穩(wěn)定工作電壓值。說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)（3）動(dòng)態(tài)電阻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第39頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。

PZM=UZIZM（5）最大允許耗散功率

PZM是穩(wěn)壓管工作時(shí)的參考電流數(shù)值。工作電流若小于穩(wěn)定電流IZ，穩(wěn)壓性能較差；工作電流若大于穩(wěn)定電流，穩(wěn)壓性能較好，但是要注意管子的功率損耗不要超出允許值。

（4）穩(wěn)定電流IZ最大穩(wěn)定電流IZM:穩(wěn)壓管正常工作時(shí)允許通過的最大反向電流。第40頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月+_UU0UZR例題穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當(dāng)U<UZ時(shí),電路不通；當(dāng)U>UZ大于時(shí),穩(wěn)壓管擊穿此時(shí)選R，使IZ<IZM返回第41頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5.1基本結(jié)構(gòu)15.5.2電流分配和放大原理15.5.3特性曲線15.5.4主要參數(shù)15.5半導(dǎo)體三極管15.5.1基本結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)平面型

合金型

NPN（3D系列）

PNP（3A系列）第42頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體三極管圖片第43頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5.1基本結(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第44頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)射結(jié)集電結(jié)BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECPPNBECCEB第45頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5.2電流分配和放大原理μAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共發(fā)射極接法基極電路(輸入回路)集電極電路(輸出回路)

發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端

第46頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此實(shí)驗(yàn)及測量結(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<0.001mA第47頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月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。

UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP第48頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)射結(jié)正偏擴(kuò)散強(qiáng)E區(qū)多子（自由電子）到B區(qū)B區(qū)多子（空穴）到E區(qū)穿過發(fā)射結(jié)的電流主要是電子流形成發(fā)射極電流IEIE是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子，形成發(fā)射極電流IE。第49頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流IBE區(qū)電子到基區(qū)B后，有兩種運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散IEC復(fù)合IEB同時(shí)基區(qū)中的電子被EB拉走形成IBIEB=IB時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成穩(wěn)定的基極電流IBIB是由復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的RBEC++__EBEBC第50頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.集電極收集電子，形成集電極電流IC集電結(jié)反偏阻礙C區(qū)中的多子（自由電子）擴(kuò)散，同時(shí)收集E區(qū)擴(kuò)散過來的電子有助于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，有反向飽和電流ICBO形成集電極電流ICRBEC++__EBEBC第51頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月RBEC++__EBEBCIBIEICBOIBEIECIC第52頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5.3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++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCE第53頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.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

第54頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月UCE增加，特性曲線右移。

UCE≥1V以后，特性曲線幾乎重合。

與二極管的伏安特性相似輸入特性有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

第55頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。UCE/V13436912IC/mA10080604020μAIB=002第56頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月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)）具有恒流特性132436912IC/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)處于反向偏置第57頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）截止區(qū)IB=0曲線以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)IB=0時(shí)，IC=ICEO〈0.001mA

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在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。第58頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（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/V在飽和區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

第59頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5.4主要參數(shù)1.電流放