《電路與電子技術(shù)》課件 4 半導(dǎo)體器件

第4章半導(dǎo)體器件4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識4.2半導(dǎo)體二極管4.3半導(dǎo)體三極管4.4場效應(yīng)管

導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間典型的半導(dǎo)體有硅Si、鍺Ge以及砷化鎵(GaAs)等。

自然界的物體根據(jù)其導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，可劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體（Semiconductor）4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

4.1.1本征半導(dǎo)體

完全純凈的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

Si

Si

Si

Si價電子價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子（帶負電），同時留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭囟扔撸w中產(chǎn)生的自由電子和空穴便愈多。自由電子

在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理

當半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動

電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；

(2)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，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。

可以自由移動的帶電粒子4.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，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N型半導(dǎo)體。摻入五價元素

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)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。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。1.N型半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為P型半導(dǎo)體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。小結(jié)1、N型半導(dǎo)體中電子是多子，主要是由摻雜引起，空穴是少子，由本征激發(fā)產(chǎn)生.2、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。3、不管摻雜的是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體，其中載流子的數(shù)量遠遠多于本征半導(dǎo)體，因而雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力比本征半導(dǎo)體強。雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法空穴自由電子++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量主要取決于

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量主要取決于

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。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(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba1.PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(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。

擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)就是PN結(jié)

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)4.1.3PN結(jié)PN結(jié)的形成在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

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

多子的擴散運動

由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)的厚度固定不變形成PN結(jié)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄外電場IF削弱了內(nèi)電場的作用，PN結(jié)電阻減小，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。PN結(jié)正偏時，正向電流較大，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–VP>VNPN結(jié)的伏安特性特點：低電阻大的正向擴散電流

PN結(jié)加正向電壓（正偏,即VP>VN)UonPN結(jié)變寬(2)PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強，PN結(jié)電阻增大，阻止多子擴散，有利于少子漂移。由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR–+

PN結(jié)反偏時，反向電流較小，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－VP<VN特點：高電阻很小的反向漂移電流PN結(jié)加反向電壓（反偏,即VP<VN)在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流IS。溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將增大。當PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

電擊穿——可逆反向擊穿電壓PN結(jié)的性質(zhì)——

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

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)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＝Y(jié)構(gòu)示意圖

4.2半導(dǎo)體二極管D陽極陰極普通二極管的符號ak陰極4.2.1

二極管的結(jié)構(gòu)與類型(a)點接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。

結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。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(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型國產(chǎn)二極管命名方法舉例：2CP10序號普通型（Z表示整流二極管）面接觸型硅管(A表示點接觸型鍺管）二極管4.2.2二極管的伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V

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。

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?。正向特性反向特性特點：非線性硅管0.7V鍺管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)。DUI其中：伏安特性曲線IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）二極管的伏安特性可用下式表示二極管的伏安特性受溫度的影響較大。ui0T升高T升高ui4.2.3二極管的主要參數(shù)（1）

最大整流電流

IF二極管長時間工作時允許流過的最大正向平均電流。（2）

最高反向工作電壓URM指二極管在使用時允許加的最高反向電壓，一般取二極管反向擊穿電壓的1/2。（3）

反向飽和電流IS指二極管工作在反向截止狀態(tài)時的電流。1.理想模型

將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。正向偏置時的電路模型反向偏置時的電路模型二極管的V-I特性的建模特點：死區(qū)電壓=0

正向?qū)▔航?0

反向飽和電流=0開關(guān)二極管的

V-I特性的建模2.恒壓降模型特點：正向?qū)▔航?/p>

=死區(qū)電壓

=0.7V或0.3V

反向飽和電流=03.折線模型（a）I-V特性（b）電路模型

含理想二極管電路分析定性分析：（1）判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止分析方法：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。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(反向偏置)，二極管截止（2）等效處理：理想二極管正向?qū)〞r電壓為0，相當于短路，反向截止時電流為0，相當于斷路。

若要考慮正向?qū)ǖ墓軌航?，則需用恒壓降模型(1)分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位或所加的正向電壓UD。若V陽-V陰>0.7V(0.3V)或UD>0.7V(0.3V)

，二極管導(dǎo)通若V陽-V陰<0.7V(0.3V)或UD<0.7V(0.3V)

，二極管截止正向?qū)〞r管壓降硅0.7V鍺

0.3V

（2）等效處理：反向截止時電流為0，相當于開關(guān)斷開。用0.7V(0.3V)電壓源代替含理想二極管的電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通理想二極管可看作短路，UAB=－6V例1：

解：

斷開二極管，計算二極管陽極和陰極的電位。D6V12V3k

BAUAB+–若二極管的導(dǎo)通壓降為0.7V，此時UAB=？

UAB=－6.7V解：

斷開二極管，計算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(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:此時D1承受反向電壓為－6V求：UABBD16V12V3k

AD2UAB+–

練習(xí)

圖示電路，D1D2為理想二極管，D1工作在_________狀態(tài)，D2工作在_________狀態(tài)，uao=______。D1D23V3kΩ6Vuao答案：D1截止，D2導(dǎo)通，uao=-3V整流電路限幅電路開關(guān)電路

二極管的應(yīng)用電路例：圖示理想二極管電路,輸入為正弦電壓,求輸出電壓uo波形RLuiuouiuott二極管半波整流整流電路ui>0時，二極管導(dǎo)通

uo=ui

ui<0時，二極管截止

uo=0解：V陽

=ui

；V陰=0已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例：ui18V參考點D8VRuoui++––限幅電路ui>8V，二極管導(dǎo)通，uo=8V

ui<8V，二極管截止，uo=ui解：V陽

=ui

；V陰=8V輸入信號只要有1個為低電平，則輸出為低電平——“與邏輯”開關(guān)電路“與”門4.2.4

其他類型的二極管穩(wěn)壓二極管光電二極管發(fā)光二極管

穩(wěn)壓二極管1.符號UZIZminIZMax

UZ

IZ2.伏安特性

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)

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，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIOIZmin

≤IZ≤IZmax3.主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)最小穩(wěn)定電流IZmin

穩(wěn)壓管工作在電壓穩(wěn)定范圍內(nèi)的最小電流.(4)動態(tài)電阻(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZmaxrZ愈小，曲線愈陡直，穩(wěn)壓性能愈好。(3)最大穩(wěn)定電流IZmax

穩(wěn)壓管允許的最大工作電流.穩(wěn)壓二極管---穩(wěn)壓電路分析正常穩(wěn)壓時VO=VZ#

穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax這種電路之所以能夠穩(wěn)壓，在于當穩(wěn)壓管電流IZ在一定范圍內(nèi)變化時,穩(wěn)壓管兩端的電壓幾乎不變。這樣當Vi或RL變化時，電路能自動調(diào)整IZ的大小，以改變R上的壓降，達到維持輸出電壓v0基本穩(wěn)定的目的。#不加R可以嗎？限流電阻例:VZ=6V,IZmax=25mA,IZmin=5mA,輸入電壓VI=10V,負載電阻RL=600Ω

求限流電阻R的取值范圍。解：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時V0=VZ=6VR的取值范圍為114Ω~267Ω例：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負載電阻RL=2k

，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200,判斷電路能否穩(wěn)壓？若負載電阻變化范圍為1.5k~4k

，是否還能穩(wěn)壓？RLuiuORDZiiziLUZUZ=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)設(shè)穩(wěn)壓管能夠穩(wěn)壓，則uo=UZiL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）滿足IZmin≤IZ≤IZmax所以假設(shè)正確，電路能穩(wěn)壓（2）若負載電阻變化范圍為1.5k~4k

假設(shè)穩(wěn)壓管能夠穩(wěn)壓，則當RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3mA當RL=4k,

iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5mA仍然滿足IZmin≤IZ≤IZmax所以假設(shè)正確，電路能穩(wěn)壓RLuiuORDZiiziLUZ光電二極管：反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加符號正向電壓比一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管：有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光

N型硅PN4.3.1三極管的結(jié)構(gòu)與特點c集電極發(fā)射極eb基極集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)E結(jié)集電結(jié)C結(jié)簡化cbe集電結(jié)發(fā)射結(jié)NPNecbcbe集電結(jié)發(fā)射結(jié)PNPecbPNP型三極管的結(jié)構(gòu)與符號

4.3半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管有兩種類型:NPN型和PNP型?；鶇^(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)面積大BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點：集電區(qū)：面積最大集電極和發(fā)射極能互換么？4.3.2三極管的電流放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC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

結(jié)論：放大狀態(tài)下NPN管子VC>VB>VEPNP管子VC<VB<VEPN結(jié)正偏：VP>VNPN結(jié)反偏：VP<VN2.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）IC/IB近似等于一個常數(shù)2）IE=IB+IC，IC

IB

，

IC

IE

把基極電流IB的微小變化能夠引起集電極電流IC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。3.三極管內(nèi)部載流子的運動BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。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IE。進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴散到集電結(jié)。從基區(qū)擴散來的電子大部分在集電結(jié)電場作用下漂移進入集電區(qū)，形成ICE。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。各電流關(guān)系：IC=ICE+ICBOICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度

ICEO

(常用公式)若IB=0,則

IC

ICEOIE=IB+IC

4.3.3

三極管的共射特性曲線

即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：

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(shè)計性能良好的電路

重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路ICEBmA

AVUCEUBERBIBECV++––––++1.

輸入特性特點:非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V

鍺管0.1V

正常工作時發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.7VNPN型鍺管

UBE0.3VIB(uA)UBE(V)0402060800.20.40.60.8UCE≥1VUCE=0.5VUCE=02.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：(1)放大區(qū)

在放大區(qū)有IC=

IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域為截止區(qū)，有IC=ICEO0

。

在截止區(qū)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。截止區(qū)等效：BECIB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O飽和區(qū)（3）飽和區(qū)特點：IC<

IB

深度飽和時：

硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。當UCE

UBE時，晶體管工作于飽和狀態(tài)。等效：BEC在飽和區(qū)，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏。

輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏

特點：IC=IB,且

IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏特點：IC<

IB，UCE0.3V

或0.1V(3)截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏特點：IB=0，IC0

，IE0

開關(guān)狀態(tài)例1

在電路中測得有關(guān)三極管各極對地的電位如下所示，試判斷各三極管處于哪種工作狀態(tài)。ecb3V5.6V2.3V發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏放大ecb0.7V0.3V0V發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏飽和ecb3V2V0V發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏截止例2

設(shè)工作于線性放大狀態(tài)的三極管各管腳對地的電位如下所示，試判斷各管腳所屬的電極，該管是鍺管還是硅管？是NPN型還是PNP型？0.7V0V5V規(guī)律（1）先確定C極（b、e之間互差0.7V或0.3V，剩下的電極即為C極）硅管：發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降0.7V左右鍺管：發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降0.3V左右NPN型：VC>VB>VEPNP型：VC<VB<VEC硅管BENPN（2）確定類型和管腳。因為（3）確定材料-3.2V-2.5V-9V例3

設(shè)工作于線性放大狀態(tài)的三極管各管腳對地的電位如下所示，試判斷各管腳所屬的電極，該管是鍺管還是硅管？是NPN型還是PNP型？CBE硅管PNP-7V-2V-2.3VCBE鍺管PNP4.3.4三極管