第九章 常用半導體器件 20141024

第九章常用半導體器件第二節(jié)半導體二極管第三節(jié)特殊二極管第四節(jié)晶體管第一節(jié)PN節(jié)及其單向導電特性本章要求：一、理解PN結的單向導電性，三極管的電流分配和電流放大作用；二、了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；三、會分析含有二極管的電路。半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(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)。熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強第一節(jié)PN節(jié)及其單向導電特性一、本征半導體完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構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，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現(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，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(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)本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。二、雜質半導體----N型半導體和P型半導體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。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子在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。動畫

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

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴動畫無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。

1.在雜質半導體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

2.在雜質半導體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

3.當溫度升高時，少子的數(shù)量

（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba三、

PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結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。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動畫形成空間電荷區(qū)四、PN結的單向導電性

1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄

P接正、N接負外電場IF內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫+–2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－動畫–+PN結變寬2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。動畫–+

PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第二節(jié)半導體二極管一、半導體二極管的結構(a)點接觸型(b)面接觸型

結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。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結金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型圖半導體二極管的結構和符號二極管的結構示意圖陰極陽極(

d

)符號D二、伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：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保持常數(shù)。三、主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管的單向導電性

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V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)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向導通時正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

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。在這里，二極管起鉗位作用。

D6V12V3k

BAUAB+–兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。

BD16V12V3k

AD2UAB+–ui>8V，二極管導通，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3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––動畫練習：如圖，E＝5V，二極管正向壓降忽略不計，畫出uo波形。EVDuiuO10ui

(V)ωtui

<EVD截止

uo

=Eui

>EVD導通

uo

=ui5uOωt5利用二極管的單向導電性可對輸出信號起限幅作用。第三節(jié)特殊二極管1.符號UZIZIZM

UZ

IZ2.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。_+UIO一、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。特點：電流變化大，電壓變化小。3.穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓管：１）加正向電壓時同二極管２）加反向電壓時使其擊穿后穩(wěn)壓i(mA)u(V)反向擊穿電壓VS１）穩(wěn)定電壓UZ

正常工作下，穩(wěn)壓管兩端電壓,即穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。同一型號的穩(wěn)壓管分散性較大。２）穩(wěn)定電流IZ

正常工作下的參考電流。大小由限流電阻決定。工作電流較大時穩(wěn)壓效果較好。３）動態(tài)電阻rZ

rZ

=△U/△I

rZ

越小，穩(wěn)壓效果越好。4.穩(wěn)壓管參數(shù)例：已知ui

=6sinωt，UZ=3V，畫輸出波形。穩(wěn)壓管的工作條件（１）必須工作在反向擊穿狀態(tài)（２）電路中應有限流電阻，以保證反向電流不超過允許范圍。VSuiuO6ui

(V)ωt3uOωt3二、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，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管第四節(jié)晶體管一、基本結構NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結集電結BECNNP基極發(fā)射極集電極二、結構特點集電區(qū)：面積最大三、晶體管的電流分配和放大原理１．放大條件（１）內部特點決定 發(fā)射區(qū)產(chǎn)生大量載流子基區(qū)傳送載流子集電區(qū)收集載流子（２）外部條件

發(fā)射結正偏，集電結反偏2.各電極電流關系及電流放大作用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結論:1）三電極電流關系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）

IC

IB

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: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(流控電流源)。3.三極管內部載流子的運動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。發(fā)射結正偏，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)的空穴復合，形成電流IBE，多數(shù)擴散到集電結。從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。3.三極管內部載流子的運動規(guī)律IC=

ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=

IBE

ICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)(常用公式)IEICIBRBRCEBECNNP發(fā)射區(qū)電子發(fā)射結正偏利于發(fā)射區(qū)發(fā)射電子基區(qū)集電結反偏利于集電區(qū)收集電子集電區(qū)4.電流分配IBRBEBICRCECIE基極電流很小的變化，將引起集電極電流一個很大的變化。直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)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++––––++四、晶體管的特性曲線表示各極電流與極間電壓的關系。是了解晶體管特性和分析晶體管工作狀態(tài)的重要依據(jù)。共射極放大電路（一）共射極組態(tài)輸入特性曲線NPN型硅管輸入特性曲線正常工作時VC＞VB＞VEUCE≥1V即可使集電結反偏。常數(shù)IB／μA0.40.8UBE／V206040800UCE≥1V所有的輸入特性曲線幾乎重合。UBBRBRB′

′IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCE死區(qū)電壓硅管0.4～0.5V

鍺管0.2V線性工作范圍晶體管正常工作時的正偏電壓硅管0.6～0.7V

鍺管0.2～0.3VIB與UBE之間是非線性關系IB／μA0.40.8UBE／V206040800UCE≥1V控制死區(qū)(二)共射極組態(tài)輸出特性曲線常數(shù)UBBRBRB′

′IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCE輸出特性曲線族4UCE／VIC／mA132036912100μAIB=0

20μA40μA60μA80μA第一.每一條曲線的變化規(guī)律

例如:

IB=40μA該段近似為陡直的直線。恒流特性段UCE＞1V

后，UCE增加，IC幾乎不再增加。

特性曲線近似平行于水平軸,表現(xiàn)為恒流特性。起始段

UCE＜1V

IC隨UCE增加近似成正比,線性增加，ICIB的數(shù)值增加,曲線上移，組成一組輸出特性曲線。第二、整個輸出特性分為三個區(qū)1.放大區(qū)條件:發(fā)射結正偏集電結反偏截止區(qū)UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA飽和區(qū)放大區(qū)ICEOEBC+--0.6～0.7V+--UCE＞1V放大區(qū)截止區(qū)UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA飽和區(qū)特點:電流放大作用②要改變IC，只能用改變IB的辦法達到。表現(xiàn)為IB對IC的控制作用即電流放大作用。①每一條曲線表現(xiàn)為恒流,即IC與UCE無關。③IB以等差值規(guī)律變化，對應的特性曲線是一組間距基本相等的平行線，它們之間的間距就體現(xiàn)了基極電流對集電極電流的控制和放大作用。例如：保持UCE=6V不變，調節(jié)IB由40μA增大為

60μA對應的IC由1.5mA增大為2.25mA。UCE／VIC／mA截止區(qū)1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA飽和區(qū)放大區(qū)1.52.25ICEOUCE／VIC／mA截止區(qū)1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA飽和區(qū)放大區(qū)1.52.25ICEO△IB=60－40=20μA△IC=2.25－1.5=0.75mA基極電流的微小變化△IB引起集電極電流△IC的顯著變化△IC＞＞△IBIC／mAIB=0UCE／V截止區(qū)1320436912100μA20μA40μA60μA80μAICEO2.截止區(qū)①由于IB≤0條件：發(fā)射結反偏集電結亦反偏。②穿透電流ICEO

基極斷開（IB=0），集-射極之間加上一定值的UCE時,集電極-發(fā)射極的電流。ICEO

由少子形成，近似為零。但ICEO隨溫度增加而顯著增加，使晶體管工作不穩(wěn)定。特點E-CBUBE≤0++-UCE≥1VICEO③晶體管的開關作用IB=0、ICEO≈0。開關斷開IC／mAIB=0UCE／V截止區(qū)1320436912100μA20μA40μA60μA80μAICEOE-CBUBE≤0++-UCE≥1VICEO≈0IB=0CEBUCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA飽和區(qū)ICEO3.飽和區(qū)特點①發(fā)射結正偏,集電結亦為正偏。ECBUBE≈0.7V+--+UCE＜0.7V②晶體管失去放大作用。③晶體管的開關作用。

深度飽和時,UCES≈0。等效為開關閉合CEB五、晶體管的主要參數(shù)

（一）電流放大系數(shù)：表示晶體管放大電信號的能力。

直流電流放大系數(shù)

表示晶體管性能優(yōu)劣、適用范圍及合理選擇、正確使用晶體管的依據(jù)。利用輸出特性曲