第9章半導(dǎo)體二極管和三極管.

1、東華理工大學(xué)東華理工大學(xué)機械與電子工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部機械與電子工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部海南風(fēng)光 下篇下篇 電子技術(shù)模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 下篇下篇從從20世紀初開始，人們相繼發(fā)現(xiàn)了真空和半導(dǎo)體世紀初開始，人們相繼發(fā)現(xiàn)了真空和半導(dǎo)體電子器件，以電子器件，以檢波檢波、放大放大及及開關(guān)開關(guān)等功能為核心的等功能為核心的電子技術(shù)電子技術(shù)得到迅速發(fā)展。得到迅速發(fā)展。從從1948美國貝爾實驗室發(fā)明半導(dǎo)體晶體管以來，半導(dǎo)體美國貝爾實驗室發(fā)明半導(dǎo)體晶體管以來，半導(dǎo)體電子器件逐步取代電子管而成為應(yīng)用電子技術(shù)的主角，電子器件逐步取代電子管而成為應(yīng)用電子技術(shù)的主角，經(jīng)歷了分立器件、集成電路、大規(guī)

2、模和超大規(guī)模的集成經(jīng)歷了分立器件、集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。其應(yīng)用領(lǐng)域遍及廣播、通訊、測量、控制電路。其應(yīng)用領(lǐng)域遍及廣播、通訊、測量、控制；今天，計算機已經(jīng)以高技術(shù)的載體進入到各個領(lǐng)域，為今天，計算機已經(jīng)以高技術(shù)的載體進入到各個領(lǐng)域，為人類文明的發(fā)展樹立了一座宏偉的里程碑。人類文明的發(fā)展樹立了一座宏偉的里程碑。劃時代的發(fā)明劃時代的發(fā)明半導(dǎo)體電子學(xué)半導(dǎo)體電子學(xué)50年年 http:/ 今天今天,聽廣播、看電視已成為人們?nèi)章爮V播、看電視已成為人們?nèi)粘Ｉ钪凶钇胀ǖ氖隆€人計算機正常生活中最普通的事。個人計算機正在進入尋常百姓家。人們在享用現(xiàn)代在進入尋常百姓家。人們在享用現(xiàn)代科技成果時，未

3、必都能想到，就在身科技成果時，未必都能想到，就在身邊的收音機、電視機、計算機里，曾邊的收音機、電視機、計算機里，曾經(jīng)發(fā)生過幾次翻天覆地的大革命。經(jīng)發(fā)生過幾次翻天覆地的大革命。 第一次大革命發(fā)生在第一次大革命發(fā)生在1906年。那一年，美國年。那一年，美國人德福雷斯特發(fā)明了真空三極管。由這種真空三人德福雷斯特發(fā)明了真空三極管。由這種真空三極管和其他一些元件（電阻、電容、電感等）組極管和其他一些元件（電阻、電容、電感等）組成放大電路，可以把收音機接收的信號放大十倍、成放大電路，可以把收音機接收的信號放大十倍、百倍乃至千倍。這樣，收音機就能收到更遠的電百倍乃至千倍。這樣，收音機就能收到更遠的電臺，而且

4、音量更大、音質(zhì)更好。真空是靠在真空臺，而且音量更大、音質(zhì)更好。真空是靠在真空中運動的電子來實現(xiàn)放大的，所以人們也把它稱中運動的電子來實現(xiàn)放大的，所以人們也把它稱為電子管。為電子管。 真空管體積大、耗電多，發(fā)熱量也大，壽命又真空管體積大、耗電多，發(fā)熱量也大，壽命又不夠長，缺點不少。到了不夠長，缺點不少。到了20世紀世紀40年代，人們把年代，人們把收音機和其他電子設(shè)備做得小巧些，壽命更長、收音機和其他電子設(shè)備做得小巧些，壽命更長、可靠性更高些，用真空管很難辦到。于是，電子可靠性更高些，用真空管很難辦到。于是，電子學(xué)領(lǐng)域里的第二次革命爆發(fā)了。學(xué)領(lǐng)域里的第二次革命爆發(fā)了。 晶體管革命晶體管革命 在在2

5、0世紀世紀30年代，美國的貝爾實驗室里有年代，美國的貝爾實驗室里有3位值位值得注意的人物：得注意的人物： 研究部主任默文研究部主任默文凱利、研究人員布拉頓和肖凱利、研究人員布拉頓和肖克利。克利。 凱利是一位富有創(chuàng)見的科技管理者，凱利是一位富有創(chuàng)見的科技管理者， 早在早在30年代中期，他已經(jīng)意識到用于電話交換機的機年代中期，他已經(jīng)意識到用于電話交換機的機電繼電器動作速度太慢，如不淘汰勢必影響電話電繼電器動作速度太慢，如不淘汰勢必影響電話技術(shù)的進步。技術(shù)的進步。1936年，凱利明確地向肖克利表示，年，凱利明確地向肖克利表示， 為了適應(yīng)通信業(yè)務(wù)的增長，電話的機械交換必將為了適應(yīng)通信業(yè)務(wù)的增長，電話的

6、機械交換必將被電子交換取代。真空管又存在許多致命的弱點，被電子交換取代。真空管又存在許多致命的弱點，尋求建立在新材料、新原理基礎(chǔ)上的新型電子器尋求建立在新材料、新原理基礎(chǔ)上的新型電子器件便成了當(dāng)務(wù)之急。件便成了當(dāng)務(wù)之急。1956年年12月月10日，肖克利、巴丁、布拉頓經(jīng)過日，肖克利、巴丁、布拉頓經(jīng)過20年年的努力終于攻克了這一難題，研制出晶體管。為此的努力終于攻克了這一難題，研制出晶體管。為此他們從瑞典國王手中接過了諾貝爾物理獎的證書。他們從瑞典國王手中接過了諾貝爾物理獎的證書。他們?yōu)槿祟惙瞰I的，不僅是一項偉大的技術(shù)發(fā)明，他們?yōu)槿祟惙瞰I的，不僅是一項偉大的技術(shù)發(fā)明，而且是半導(dǎo)體物理學(xué)的劃時代的

7、新發(fā)現(xiàn)。而且是半導(dǎo)體物理學(xué)的劃時代的新發(fā)現(xiàn)。 晶體管的發(fā)明是電子學(xué)領(lǐng)域的一場革命。晶體管的發(fā)明是電子學(xué)領(lǐng)域的一場革命。與電子管相比，晶體管體積僅為與電子管相比，晶體管體積僅為1/100，耗電量也僅為耗電量也僅為1/100，而壽命卻要長，而壽命卻要長100倍倍。晶體管以咄咄逼晶體管以咄咄逼“人人”之勢占領(lǐng)了原被電子管占領(lǐng)之勢占領(lǐng)了原被電子管占領(lǐng)的舞臺，到的舞臺，到50年代末，采用晶體管的收音機、電視年代末，采用晶體管的收音機、電視機已比比皆是了。機已比比皆是了。 到到50年代末，人們越來越強烈地感到，一個個互年代末，人們越來越強烈地感到，一個個互相獨立的元件、器件的小型化之路，將走到盡頭。相獨立

8、的元件、器件的小型化之路，將走到盡頭。這是因為：這是因為：一個復(fù)雜的電路，里面有大量的元器件，這些一個復(fù)雜的電路，里面有大量的元器件，這些“零零件件”之間要用導(dǎo)線連接起來。大量的導(dǎo)線也限制了之間要用導(dǎo)線連接起來。大量的導(dǎo)線也限制了電路體積的縮小。電路體積的縮小。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵時刻，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵時刻，往往需要富有想象力的科學(xué)家創(chuàng)造全新的觀念。往往需要富有想象力的科學(xué)家創(chuàng)造全新的觀念。1958年，就出現(xiàn)了兩位這樣的人物：年，就出現(xiàn)了兩位這樣的人物：基爾比和諾伊斯。基爾比和諾伊斯。 1958年年9月月12日，基爾比的第一個集成電路實驗日，基爾比的第一個集成電路實驗獲得成功。在這一年里，

9、獲得成功。在這一年里，美國仙童公司的美國仙童公司的RN諾伊斯也諾伊斯也研制出第一塊集成電路片。研制出第一塊集成電路片。 到今天，集成電路已走過到今天，集成電路已走過40多年的歷程。多年的歷程。在這在這40多年中，集成電路發(fā)生了巨大的變化。多年中，集成電路發(fā)生了巨大的變化。先說說在一個芯片上能集成多少個器件。先說說在一個芯片上能集成多少個器件。1958年，集成電路誕生時，那個芯片上只有年，集成電路誕生時，那個芯片上只有5個元個元器件；器件；1971年發(fā)明的微處理器，年發(fā)明的微處理器，上面集成了上面集成了2，300個個器件；器件；1989年英特爾公司年英特爾公司80486芯片，芯片，集成了集成了1

10、20萬個萬個晶體管；晶體管；今天，一個高性能的微處理器上可集成今天，一個高性能的微處理器上可集成2.5億個億個以上以上的器件。的器件。 再看集成電路里半導(dǎo)體器件的尺寸：再看集成電路里半導(dǎo)體器件的尺寸：1959年大約是年大約是100微米，微米，到到1961年下降到年下降到25微米。微米。1984年研制的年研制的1兆位半導(dǎo)體存儲器，線寬大約兆位半導(dǎo)體存儲器，線寬大約1微米；微米；1990年的年的64兆位半導(dǎo)體存儲器，線寬降至兆位半導(dǎo)體存儲器，線寬降至0.3微米。微米。到到2004年，線寬就僅有年，線寬就僅有0.1微米了。微米了。0.1微米約為一般原子尺度的微米約為一般原子尺度的100倍，倍，集成電

11、路與分子電路已經(jīng)很接近。集成電路與分子電路已經(jīng)很接近。此外，芯片的進步還表現(xiàn)在運算速度上。此外，芯片的進步還表現(xiàn)在運算速度上。時鐘頻率決定著芯片完成一次運算的速度。時鐘頻率決定著芯片完成一次運算的速度。目前，高性能微處理器運算速度高達每秒近目前，高性能微處理器運算速度高達每秒近10億次億次第第 9 章章半導(dǎo)體二極管和三極管半導(dǎo)體二極管和三極管9-1. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性9-2. 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管9-3. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管9-4. 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體導(dǎo)體，金屬，

12、金屬一般都是導(dǎo)體。一般都是導(dǎo)體。絕緣體：絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為體之間，稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。 9-1. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體半導(dǎo)體-導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的材料。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的材料。常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒及許多金屬的氧化物常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒及許多金屬的氧化物和硫化

13、物等。和硫化物等。半導(dǎo)體材料多以晶體的形式存在。半導(dǎo)體材料多以晶體的形式存在。半導(dǎo)體材料的特性：半導(dǎo)體材料的特性：1. 純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差；純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差；2. 溫度升高溫度升高導(dǎo)電能力增強；導(dǎo)電能力增強；3. 光照增強光照增強導(dǎo)電能力增強；導(dǎo)電能力增強；4. 摻入少量雜質(zhì)摻入少量雜質(zhì)導(dǎo)電能力增強。導(dǎo)電能力增強。完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素四價元素，每個原子最外層電子數(shù)為 4 。+SiGe共價健共價健 Si Si Si Si價電子價電子相鄰原子由外層電子形成共價鍵共價鍵

14、 Si Si Si Si價電子價電子這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭昭ㄗ杂呻娮幼杂呻娮?Si Si Si Sip+多多余余電電子子磷原子磷原子在常溫下即可在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮幼優(yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€失去一個電子變?yōu)殡娮幼優(yōu)檎x子正離子二. N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴三、PN結(jié)的形成PNP區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)多數(shù)載流子將擴散擴散形成耗盡層；耗盡層；耗盡了載流子的交界處留下不可移動的離子形成空間電空間電荷區(qū)；荷區(qū)；（內(nèi)電場）一塊晶片的兩邊分別為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙了多子的繼續(xù)擴散。P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)載流子的運動有兩種形式：擴散擴散 由

15、于載流子濃度梯度濃度梯度引起的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運動。漂移漂移 載流子受電場作用電場作用沿電場力方向的運動。耗盡層中載流子的擴散和漂移運動最后達到一種動態(tài)平衡，這樣的耗盡層就是PN結(jié)結(jié)。PN結(jié)內(nèi)電場內(nèi)電場的的方向方向由N區(qū)指向P區(qū)。多子的擴散運動多子的擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場少子的漂移運動少子的漂移運動濃度差濃度差 擴散的結(jié)果使空間擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱空間電荷區(qū)也稱 PN 結(jié)結(jié) +形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)一、PN結(jié)的形成PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 P接正、接正、N接負接負 外電場外電場IF內(nèi)電場內(nèi)電場PN+ 內(nèi)電場被加內(nèi)電場被加強，少子的漂強，少子的漂移加強

16、，由于移加強，由于少子數(shù)量很少，少子數(shù)量很少，形成很小的反形成很小的反向電流。向電流。IR+ 9-2. 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管一一、 二極管的結(jié)構(gòu)和分類二極管的電路符號：二極管的電路符號：PN陰極引線陰極引線陽極引線陽極引線二氧化硅保護層二氧化硅保護層P型硅型硅N型硅型硅 平面型平面型金屬觸絲金屬觸絲陽極引線陽極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼 點接觸型點接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽極引線陽極引線PN結(jié)結(jié)金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線 面接觸型面接觸型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號 陰極陰極陽極陽極 符號符號D二、二極管的伏安特性二、二極管的伏

17、安特性反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+三、二極管的主要參數(shù)三、二極管的主要參數(shù)定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的，例例1：D6V12V3k BAUAB+例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t 9-3. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型二極穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型二極管。它在電路中常用作穩(wěn)定電壓的管。它在電路中常用作穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。作用，故稱為穩(wěn)壓管。一、穩(wěn)壓管的圖形符號：一、穩(wěn)壓管的圖形符號：二、穩(wěn)壓管的伏安特性

18、：二、穩(wěn)壓管的伏安特性：U(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管的伏安特性曲線與普通二極管類似，只是反向曲線更陡一些。UZIZIZM UZ IZ_+UIOZZ ZIUr 9-4 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管(晶體管晶體管)是最重要的一種半導(dǎo)體器件。是最重要的一種半導(dǎo)體器件。廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。一一. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)晶體管最常見的結(jié)構(gòu)有平面型和合金型兩種。平面型都是硅管、合金型主要是鍺管。它們都具有NPN或PNP的三層兩結(jié)三層兩結(jié)的結(jié)構(gòu)，因而又有NPN和PNP兩類晶體管。本節(jié)介紹晶體管的結(jié)構(gòu)、特性及參數(shù)的內(nèi)容。N型硅型硅P型型N型型二氧化硅保護膜CBEN型鍺銦球銦球P型P型CEB平面型結(jié)構(gòu)合金型結(jié)構(gòu)NNP發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)EBCNPP發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)EBCBECBECNNPBECBECIBI