電工電子學(xué)第四章：常用半導(dǎo)體器件

第四章常用半導(dǎo)體器件2對于元器件，重點放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機理。討論器件的目的在于應(yīng)用。學(xué)會用工程觀點分析問題，即根據(jù)實際情況，對器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結(jié)果。學(xué)習要求：34.1半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)4.1.1半導(dǎo)體的基本知識1.半導(dǎo)體的特性導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)。金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)。如橡膠、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。如硅、鍺、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。物質(zhì)按導(dǎo)電性可分為4半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)。有時把半導(dǎo)體叫做晶體。共價鍵在硅和鍺晶體中，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺。在絕對零度（T=0K）時，價電子被共價鍵束縛得很緊，不能自由移動，因此不能導(dǎo)電。284+14Si28184+32Ge4個價電子5自由電子空穴半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴，成對出現(xiàn)，分別帶負電和正電。E外加電壓作用下所形成的電流是由自由電子和空穴的運動形成的。6半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于導(dǎo)體，所以它具有不同于導(dǎo)體的特點。當受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體）中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。熱敏電阻光敏電阻根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。7N型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。82.N型半導(dǎo)體自由電子、空穴對自由電子為多數(shù)載流子（多子），空穴為少數(shù)載流子（少子）。N型半導(dǎo)體靠多數(shù)載流子自由電子導(dǎo)電。在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入少量五價元素，如磷、砷。5價原子又稱為施主原子自由電子（電子型半導(dǎo)體）9P型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。103.P型半導(dǎo)體自由電子、空穴對空穴為多數(shù)載流子（多子），自由電子為少數(shù)載流子（少子）。P型半導(dǎo)體靠多數(shù)載流子空穴導(dǎo)電。在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入少量三價元素，如硼、鋁。3價原子又稱為受主原子空穴（空穴型半導(dǎo)體）114.N型、P型半導(dǎo)體的示意表示法P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體負離子空穴正離子自由電子124.1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體。在兩種半導(dǎo)體交界面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。13N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體多子空穴少子自由電子少子空穴多子自由電子濃度差多子擴散運動多子擴散運動濃度差14N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體內(nèi)電場空間電荷區(qū)內(nèi)電場阻止多子的進一步擴散。15N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體內(nèi)電場少子在內(nèi)電場的作用下定向運動－漂移運動漂移運動的方向與擴散運動的方向相反。16N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體內(nèi)電場擴散運動使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場加強。17N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體內(nèi)電場擴散運動使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場加強。漂移運動使空間電荷區(qū)變薄，內(nèi)電場變?nèi)酢?8N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體內(nèi)電場當擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變，PN結(jié)形成。192.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：當PN結(jié)加外電壓時，外電壓的正極接P區(qū)、負極接N區(qū)。

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：當PN結(jié)加外電壓時，外電壓的負極接P區(qū)、正極接N區(qū)。常用術(shù)語：20P區(qū)N區(qū)PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場內(nèi)電場被削弱21P區(qū)N區(qū)PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場內(nèi)電場被削弱空間電荷區(qū)變薄22P區(qū)N區(qū)PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場內(nèi)電場被削弱空間電荷區(qū)變薄多子的擴散加強IF形成較大的擴散電流23P區(qū)N區(qū)PN結(jié)反向偏置內(nèi)電場內(nèi)電場被加強外電場24P區(qū)N區(qū)PN結(jié)反向偏置內(nèi)電場內(nèi)電場被加強外電場空間電荷區(qū)變厚25P區(qū)N區(qū)PN結(jié)反向偏置內(nèi)電場內(nèi)電場被加強外電場空間電荷區(qū)變厚多子的擴散受抑制。少子漂移加強,但少子數(shù)量有限,只能形成較小的反向電流IR。IR少子的濃度與溫度有關(guān)，因此IR與溫度有關(guān)，幾乎與外加電壓無關(guān)。26PN結(jié)的特性當PN結(jié)外加正向電壓時，有較大的正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通，呈現(xiàn)一低電阻。當PN結(jié)外加反向電壓時，電流很小，PN結(jié)截止，呈現(xiàn)一高電阻。單向?qū)щ娦訮N結(jié)是組成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)單元274.2半導(dǎo)體二極管4.2.1二極管的特性和主要參數(shù)二極管的圖片發(fā)光二極管光電二極管28將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。電路符號1、二極管的符號P區(qū)N區(qū)陽極陰極29604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V死區(qū)電壓

硅管：0.5V鍺管：0.1V正向?qū)妷篣F硅管：0.7V鍺管：0.3V2、二極管的伏安特性①正向特性二極管外加正向電壓死區(qū)電壓正向?qū)▍^(qū)＋－ui30604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V二極管外加反向電壓②反向特性反向飽和電流IR正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)二極管失去單向?qū)щ娦浴＝茫、鄯聪驌舸┨匦苑聪驌舸﹨^(qū)擊穿電壓當反向電壓增大一定值時，反向電流劇增。＋－ui31

②最高反向工作電壓UDRM①最大整流電流IFM3、二極管的主要參數(shù)二極管長時間使用時允許流過的最大正向平均電流。實際工作時，管子通過的電流不應(yīng)超過該值，否則管子將會過熱而損壞。保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓，一般是擊穿電壓的一半。32

③最大反向電流IRM指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓時的反向飽和電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。所以在使用二極管時要注意溫度的影響。33二極管是一種非線性器件，一般采用非線性電路的模型分析法。+?iDuD①理想模型4.2.2二極管的電路模型正向偏置uD＝0等效為導(dǎo)線反向偏置等效為開路iD＝034硅管：uD＝0.7V，鍺管：uD＝0.3V。②恒壓降模型+?iDuD正向偏置反向偏置iD＝0＋－uD等效為等效為開路354.2.3二極管應(yīng)用電路利用二極管的單向?qū)щ娦?，可組成整流、檢波、限幅、保護等電路。D+-uiRL+-uo例輸入電壓ui＝Usinωt，波形如圖所示，試畫出輸出電壓uo的波形。二極管為理想二極管。

tui36常用的判斷方法是：首先假設(shè)二極管斷開，然后求得二極管陽極與陰極之間將承受的電壓UU>導(dǎo)通電壓，二極管正向偏置，導(dǎo)通；U<導(dǎo)通電壓，二極管反向偏置，截止；理想二極管的導(dǎo)通電壓＝0分析：判斷二極管在電路中的狀態(tài)：導(dǎo)通還是截止。37解+-uiRL+-uoAB斷開二極管uAB=ui38+-uiRL+-uo當ui>0，即uAB>0時二極管導(dǎo)通原電路等效為+-uiRL+-uouo=ui當ui<0，即uAB<0時二極管截止uo=0原電路等效為39tuituo當ui>0時uo=ui當ui<0時uo=0脈動直流輸出直流的平均值40D+-uiRL+-uo單相半波整流電路41例電路如圖所示，已知ui=6sinωt(V),二極管為理想二極管。試畫出uo的波形。+-Dui+-uo3V1k

+-tui042斷開二極管AB+-ui+-uo3V1k

+-uAB＝ui－3解二極管導(dǎo)通當ui>3時，uAB>0當ui≤3時，uAB<0二極管截止43二極管導(dǎo)通當ui>3時，uAB>0當ui≤3時，uAB<0二極管截止+-ui+-uo3V1k

+-原電路等效為uo＝3Vuo＝ui原電路等效為+-ui+-uo3V1k

+-4433當ui>3時，uo＝3V當ui≤3時，uo＝uituiuot00+-Dui+-uo3V1k

+-單向限幅電路45＋－＋－6V12VRD1D2例電路如圖所示，判斷二極管的工作狀態(tài)。AD1導(dǎo)通，D2截止BD1、D2均導(dǎo)通CD1截止，D2導(dǎo)通46＋－＋－6V12VRABCDUAB=12VUCD=18VUCD>UABD2優(yōu)先導(dǎo)通分析斷開二極管在D2導(dǎo)通的情況下，斷開D1，再判斷D1的狀態(tài)。47＋－＋－6V12VRABD1截止綜上分析得：D2導(dǎo)通，D1截止。UAB=－6VAD1導(dǎo)通，D2截止BD1、D2均導(dǎo)通CD1截止，D2導(dǎo)通√48例電路如圖所示，已知ui=8sinωt(V),二極管導(dǎo)通壓降UD=0.7V。試畫出uo的波形。49斷開D1、D2uBA=－2－ui當ui<-2.7V時，uBA>0.7V，uAC<-7.7V，可判斷D1導(dǎo)通。D1導(dǎo)通后VA=-2.7V，D2截止。uAC=ui－5當ui>5.7V時，uAC>0.7V，uBA<-7.7V，可判斷D2導(dǎo)通。D2導(dǎo)通后，VA＝5.7V，D1截止。解：┸50┸當-2.7V≤ui≤5.7V時，uBA

≤0.7V

、uAC

≤0.7V

D1、

D2均截止。uBA=－2－uiuAC=ui－55.7Vui－2.7VD2導(dǎo)通D1截止D1導(dǎo)通D2截止D1、D2均截止51原電路等效為當ui<－2.7V時，D1導(dǎo)通，D2截止。uo＝－2.7V52當ui>5.7V時，D1截止，D2導(dǎo)通。原電路等效為uo＝5.7V53當－2.7≤ui≤5.7V時，D1、D2均截止。原電路等效為uo＝ui54uiuo5.7－2.755雙向限幅電路564.3

半導(dǎo)體三極管571、三極管的結(jié)構(gòu)和符號NNPBEC基極發(fā)射極集電極NPNPPNBEC基極發(fā)射極集電極PNP按結(jié)構(gòu)可分為：NPN型和PNP型。NPN型和PNP型三極管的工作原理相同。在實際應(yīng)用中，采用NPN型較多，下面以NPN型為例分析討論，所得結(jié)論同樣適用于PNP型。58BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高實際應(yīng)用時，集電極和發(fā)射極不能互換。59BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)60BECNPN型三極管BECPNP型三極管三極管的符號

發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射結(jié)正向偏置時發(fā)射極電流的實際方向。P→N612、三極管的電流分配與放大作用用實驗說明三極管的電流分配與放大作用。為了使三極管具有放大作用必須使發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。+-UCC+-UBBRBRCmAμAmA幾～十幾伏IBICIE62IB/mA

00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05三極管電流測量數(shù)據(jù)結(jié)論：IE≈IC②

有電流放大作用。電流放大系數(shù)①IE=IC+IBIBIEIC滿足KCLIB盡管很小，但對IC有控制作用，IC隨IB的變化而變化。IE=IB+IC=（1+β）IB631.特性曲線4.3.2三極管的特性曲線和主要參數(shù)三極管各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，它是分析和設(shè)計各種三極管電路的重要依據(jù)。ECiC＋BiBiEuBE－＋－uCE①輸入特性②輸出特性64①輸入特性iB(

A)uBE(V)204060800.40.8UCE1V

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降：硅管UBE0.7V鍺管UBE0.3V65iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏②輸出特性661234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域

IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。iC(mA)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏671234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AiC(mA)此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEOUBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏681234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏小結(jié)iC(mA)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏69（a）（b）例有兩個三極管分別接在放大電路中，測得它們的管腳對“地”的電位分別如圖所示。試判斷管子的三個電極，并說明是硅管還是鍺管？是NPN型還是PNP型？4V3.4V9V

－6V－2.3V－2V

70分析：①工作于放大狀態(tài)的三極管，發(fā)射結(jié)應(yīng)正偏，集電結(jié)應(yīng)反偏，因而NPN型有VC>VB>VE，PNP型有VC<VB<VE?？梢娀鶚O電位總是居中，據(jù)此可確定基極。②硅管|UBE|=0.6~0.8V，鍺管

|UBE|=0.2~0.4V，則與基極電位相差此值的電極為發(fā)射極，并可判斷是硅管還是鍺管。③余下一電極為集電極。④集電極電位為最高的是NPN型管，集電極電位為最低的是PNP型管。71（a）（b）4V3.4V9V

－6V－2.3V－2V

（a）NPN型硅管，

-基極，-發(fā)射極，-集電極（b）PNP型鍺管，

-集電極，-基極，-發(fā)射極72例測得電路中三極管3個電極的電位如圖所示。試問管子的工作狀態(tài)？硅管-3V0V-2.7V①發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏，管子工作于截止狀態(tài)。硅管?2.8V?1.4V?3.5V②發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，管子工作于放大狀態(tài)。鍺管1.2V1.3V1.5V③發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏，管子工作于飽和狀態(tài)。①②③73復(fù)合三極管使用復(fù)合三極管可獲得更大的電流放大倍數(shù)β。同類：全NPN或全PNP設(shè)T1的電流放大倍數(shù)為β1，T2的為β2。ic=ic1+ic2

=β1

ib1