第6章 常用半導(dǎo)體器件

第三部分模擬電子電路第6章常用半導(dǎo)體器件第7章放大電路基礎(chǔ)第8章反饋放大器和集成運算放大器第9章直流穩(wěn)壓電源

物質(zhì)按導(dǎo)電能力的不同可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體3類。6.1

半導(dǎo)體的基本知識6.1.1半導(dǎo)體材料

（1）物質(zhì)的分類導(dǎo)體——容易導(dǎo)電、電阻率小于10-4Ω·cm的物質(zhì)，例如銅、鋁、銀等金屬材料。絕緣體——很難導(dǎo)電、電阻率大于1010Ω·cm的物質(zhì)，例如塑料、橡膠、陶瓷等材料。半導(dǎo)體——導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、電阻率在10-3～109Ω·cm范圍內(nèi)的物質(zhì)，常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge）等。半導(dǎo)體材料的最外層軌道上的電子是4個，根據(jù)其特性，可以將半導(dǎo)體材料分成以下五類：元素半導(dǎo)體（元素體本身）化合物半導(dǎo)體（兩種或以上元素的化合物）固溶體半導(dǎo)體（元素化合物互溶而成）非晶態(tài)半導(dǎo)體（非純正晶體結(jié)構(gòu)）有機半導(dǎo)體（具有半導(dǎo)體性質(zhì)的有機化合物）（2）半導(dǎo)體的基本特性

①熱敏性——半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加。例如純凈的鍺從20℃升高到30℃時，它的電阻率幾乎減小為原來的1/2。②光敏性——半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性叫做光敏性。自動控制中用的光電二極管和光敏電阻，就是利用光敏特性制成的。而金屬導(dǎo)體在陽光下或在暗處，其電阻率一般沒有什么變化。③摻雜性——半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力因摻入適量雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化。在半導(dǎo)體硅中，只要摻入億分之一的硼，電阻率就會下降到原來的幾萬分之一。而金屬導(dǎo)體即使摻入千分之一的雜質(zhì)，對其電阻率也幾乎沒有什么影響。

6.1.2本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

1、本征半導(dǎo)體硅和鍺的簡化原子模型。

晶體結(jié)構(gòu)中的共價鍵具有很強的結(jié)合力，在沒有外界能量激發(fā)時，價電子沒有能力掙脫共價鍵束縛，這時晶體中幾乎沒有自由電子，因此很難導(dǎo)電。在有外界能量激發(fā)時：當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時，某些共價鍵中的價電子因熱激發(fā)而獲得足夠的能量，因而能脫離共價鍵的束縛成為自由電子，同時在原來的共價鍵中留下一個空位，稱為“空穴”。本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子—空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。顯然在外電場的作用下，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子作定向運動形成的電子電流，一是由于價電子遞補空穴，空穴也產(chǎn)生定向移動而形成的空穴電流。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體通過特殊的擴散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為N型和P型兩大類。

（1）N型半導(dǎo)體——在純凈的硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的五價元素，如磷（P）。

在N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子，簡稱前者為多子，后者為少子。N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，因此也稱為電子型半導(dǎo)體。（2）P型半導(dǎo)體——在純凈的硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的三價元素，如硼（B）。

P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導(dǎo)電，因此也稱為空穴型半導(dǎo)體。注意：不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但整個晶體仍然是不帶電的，呈電中性。6.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)的形成

采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成了PN結(jié)。PN結(jié)（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)處于平衡狀態(tài)，稱為平衡PN結(jié)。如果在PN結(jié)兩端外加電壓，就將破壞原來的平衡狀態(tài)。當(dāng)外加電壓極性不同時，PN結(jié)表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電性能，即呈現(xiàn)單向?qū)щ娦?。①PN結(jié)加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)

PN結(jié)P端接高電位，N端接低電位，稱PN結(jié)外加正向電壓，又稱PN結(jié)正向偏置，簡稱為正偏，這時電流I不為零，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。②PN結(jié)加反向電壓時處于截止?fàn)顟B(tài)

PN結(jié)P端接低電位，N端接高電位，稱PN結(jié)外加反向電壓，又稱PN結(jié)反向偏置，簡稱為反偏，這時回路中的反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)

。PN結(jié)的“正偏導(dǎo)通，反偏截止”稱為其單向?qū)щ娦再|(zhì)，這正是PN結(jié)構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

討論題答：這種說法是錯誤的。因為，晶體在摻入雜質(zhì)后，只是共價鍵上多出了電子或少了電子，從而獲得了N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，但整塊晶體中既沒有失電子也沒有得電子，所以仍呈電中性。1、N型半導(dǎo)體中的多子是帶負電的自由電子載流子，P型半導(dǎo)體中的多子是帶正電的空穴載流子，因此說N型半導(dǎo)體帶負電，P型半導(dǎo)體帶正電。上述說法對嗎？為什么？6.2半導(dǎo)體二極管6.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號

將PN結(jié)用外殼封裝起來，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡稱二極管。由P區(qū)引出的電極稱為陽極，由N區(qū)引出來的電極為陰極。

常見的二極管有金屬、塑料和玻璃三種封裝形式

二極管的實物圖穩(wěn)壓管實物圖二極管的類型

按材料分按結(jié)構(gòu)分按用途分：硅二極管鍺二極管砷化鎵二極管點接觸型二極管面接觸型二極管平面型二極管整流、檢波、開關(guān)、穩(wěn)壓、發(fā)光、光電、快恢復(fù)和變?nèi)荻O管等點接觸型二極管——由一根金屬絲經(jīng)過特殊工藝與半導(dǎo)體表面相接，形成PN結(jié)。因而結(jié)面積小，不能通過較大的電流，但其結(jié)電容較小，一般在1pF以下，工作頻率可達100MHz，因此適用于高頻電路和小功率整流。面接觸型二極管————采用合金法工藝制成的，結(jié)面積大，能夠流過較大的電流，但其結(jié)電容大，因而只能在較低頻率下工作，一般僅作為整流管。P平面型二極管——采用擴散法制成的，結(jié)面積較大的可用于大功率整流，結(jié)面積小的可作為脈沖數(shù)字電路中的開關(guān)管。6.2.2半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦?/p>

二極管也具有單向?qū)щ娦?。即加正向電壓（也叫正偏電壓）?dǎo)通；加反向電壓（也叫反偏電壓）截止。

(a)反偏截止；(b)正偏導(dǎo)通6.2.3半導(dǎo)體二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指二極管通過的電流與其端電壓之間的關(guān)系。(1)正向特性

二極管外加正向電壓較小時，即仍處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓時，正向電流才明顯地增大。此區(qū)域稱為死區(qū)。硅二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺二極管的死區(qū)電壓約為0.1V。

導(dǎo)通后二極管的正向壓降變化不大，硅管約為0.6～0.8V，鍺管約為0.2～0.3V。死區(qū)電壓死區(qū)電壓(2)反向特性

二極管外加反向電壓時，反向電流很小，而且當(dāng)反向電壓超過零點幾伏以后，反向電流不隨著反向電壓而增大，即達到了飽和，這個電流值稱為二極管的反向飽和電流，用符號IS表示。

當(dāng)反向電壓的值增大到UBR（反向擊穿電壓）時，反向電流會急劇增大，二極管失去單向?qū)щ娦裕M入反向擊穿區(qū)，稱此現(xiàn)象為反向擊穿，UBR為反向擊穿電壓。反向擊穿電壓

顯然二極管的伏安特性不是直線，因此屬于非線性電阻元件。發(fā)生擊穿并不意味著二極管被損壞。實際上，當(dāng)反向擊穿時，只要注意控制反向電流的數(shù)值，不使其過大，以免因過熱而燒壞二極管，則當(dāng)反向電壓降低時，二極管的性能可能恢復(fù)正常。利用二極管的反向擊穿特性，可以做成穩(wěn)壓二極管，但一般的二極管不允許工作在反向擊穿區(qū)，因為由于反向電流很大，一般會造成熱擊穿，不能恢復(fù)原來性能，也就是失效了。注意：6.2.4半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)

最大整流電流IFM——允許長期通過的最大正向平均電流，其值與PN結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)。有些電流較大的二極管必須按規(guī)定加裝散熱片，否則可能因過熱而燒壞。(2)

最高反向工作電壓URM——工作時允許承受的最大反向工作電壓。實際使用時，其反向工作電壓不要超過這一數(shù)值，以免造成二極管反向擊穿而損壞。通常URM為擊穿電壓U(BR)的一半。(3)反向電流IR——指在室溫條件下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流。通常希望IR值越小越好。反向電流越小，說明二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?4)最高工作頻率fM——工作的上限頻率，超過這個頻率，由于結(jié)電容的作用，二極管將失去單向?qū)щ娦?。小結(jié)：1、半導(dǎo)體的基本特性：熱敏性、光敏性、摻雜性2、半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純凈半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體

(本征激發(fā))

P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）

N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）

3、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)：PN結(jié)、外殼、電極引線4、半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦裕≒N結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫妷簩?dǎo)通；反偏電壓截止。

鍺：0.1V鍺：0.2～0.3V5、正向特性死區(qū)電壓硅：0.5V正向?qū)妷汗瑁?.6～0.8V6、反向特性：反向擊穿現(xiàn)象（熱擊穿）練習(xí)1、二極管電路如圖所示，試判斷各二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出A、O端的電壓UAO（設(shè)二極管為理想二極管）。二極管截止，UAO=-12VVD1截止，VD2導(dǎo)通UAO=-4.5VVD1截止，VD2截止UAO=12V+-（陽極）（陰極）DZ電路符號和文字符號2CW和2DW系列外形6.3穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型硅二極管，它能在電路中能起穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管的最大特點在于它工作在反向擊穿狀態(tài)，而又不致?lián)p壞。6.3.1穩(wěn)壓管的結(jié)構(gòu)6.3.2穩(wěn)壓管的伏安特性(1)正向特性曲線與普通硅二極管相似；（2）反向擊穿特性較陡，反向擊穿電壓較低（一般穩(wěn)壓管為數(shù)伏至數(shù)十伏），容許通過的電流也比較大。穩(wěn)壓管通常工作在反向擊穿區(qū)，當(dāng)反向擊穿電流在較大范圍內(nèi)變化時，其兩端電壓變化很小，因而具有穩(wěn)定電壓的作用。只要反向電流不超過允許范圍，穩(wěn)壓管就不會發(fā)生熱擊穿而損壞。為此，在電路中，穩(wěn)壓管必須串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)南蘖麟娮琛?.3.3穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

（1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓。它是穩(wěn)壓二極管正常工作時，所能提供的穩(wěn)定電壓。（2）穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)定電流就是穩(wěn)壓二極管在反向擊穿狀態(tài)下的最小電流。當(dāng)工作電流小于此值時，穩(wěn)壓管會退出擊穿狀態(tài)，失去穩(wěn)壓作用。（3）最大穩(wěn)定電流IZmax最大穩(wěn)定電流就是穩(wěn)壓二極管所允許的最大擊穿電流。超過此值，管子會被燒毀。（4）最大允許功耗PZM最大允許功耗就是穩(wěn)壓二極管允許消耗的最大平均功率。超過此值，管子會被燒毀。PZM=UZ·IZmax問題討論利用穩(wěn)壓管的正向壓降，是否也可以穩(wěn)壓？

利用穩(wěn)壓管的正向壓降是不能進行穩(wěn)壓的。因為穩(wěn)壓管的正向特性與普通二極管相同，正向電阻非常小，工作在正向?qū)▍^(qū)時，正向電壓一般為0.6V左右，此電壓數(shù)值一般變化不大。圖所示電路中，硅穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓為10V，DZ2的穩(wěn)定電壓為8V，正向壓降均為0.7V，求各電路的輸出電壓U0。

習(xí)題a：U0=18Vb：U0=8Vc：U0=10.7Vd：U0=0.7V1、發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱LED，是一種把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯是由PN結(jié)組成的，具有單向?qū)щ娦浴?/p>

發(fā)光二極管的發(fā)光顏色決定于所用材料，目前有紅、綠、黃、橙等色，可以制成各種形狀，如長方形、圓形等。補充內(nèi)容：發(fā)光二極管的特點是：工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制電流強弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強弱。作用：主要應(yīng)用在電路及儀器中作為指示燈和信號燈，或者組成文字或數(shù)字顯示，如手機背光燈、液晶顯示器背光燈、照明等領(lǐng)域。

把它的管心做成條狀，用7條條狀發(fā)光管還可以組成七段式半導(dǎo)體數(shù)碼管，每個數(shù)碼管可顯示0~9十個數(shù)字。

2、光電二極管光電二極管又稱為光敏二極管，也是由一個PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。在電路中通過它把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。

光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。6.4晶體管6.4.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)晶體管是由兩個背靠背、互有影響的PN結(jié)構(gòu)成的。晶體管有三個引出電極，人們習(xí)慣上又稱它為晶體三極管或簡稱三極管。

三極管是放大電路中的核心器件，它是通過一定的工藝措施，將兩個PN結(jié)背靠背地有機結(jié)合起來構(gòu)成的。按PN結(jié)的組合方式有PNP型和NPN型三極管兩種，它們的工作原理是類似的。

它們所引出的三個電極分別為基極b、發(fā)射極e和集電極c，對應(yīng)的每個區(qū)域稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)?；鶇^(qū)很薄且雜質(zhì)濃度很低；發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；集電區(qū)結(jié)面積很大。雖然發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是N型半導(dǎo)體，但是發(fā)射區(qū)比集電區(qū)摻的雜質(zhì)多。在幾何尺寸上，集電區(qū)的面積比發(fā)射區(qū)的大。

晶體管有兩個結(jié)晶體管有三個區(qū)晶體管有三個電極6.4.2晶體管的電流放大原理一般來說，從傳感器獲得的模擬信號通常都很微弱，只有經(jīng)過放大后才能進一步處理，或者使之具有足夠的能量來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，完成特定的工作。放大電路的核心器件是晶體管。要使三極管工作在放大狀態(tài)，必須具備兩個條件：

一是必須以正確的連接方式將三極管接入輸入輸出回路。

二是必須外加正確的直流偏置電壓，即發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置。

按公共端的不同，可連接成三種基本組態(tài)：共發(fā)射極、共基極和共集電極。一是必須以正確的連接方式將三極管接入輸入輸出回路。

(a)共射極;(b)共基極;(c)共集極

二是必須外加正確的直流偏置電壓，即發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置。

三個電極的電位關(guān)系為UC＞UB＞UE

三個電極的電位關(guān)系為UC<UB<UE

例:共發(fā)射極電路

(1)三極管各電極電流的關(guān)系滿足

IE=IB+IC(IB很小，IC≈IE)

(2)IC與IB的比值基本保持不變，定義該比值為共射極電路的直流電流放大倍數(shù)，即

(3)IC與IB的變化量ΔIC與ΔIB的比值也基本保持不變，定義該比值為共射極電路的交流電流放大倍數(shù)，即

綜上所述放大電路的最基本特點：①三極管工作在放大狀態(tài)的條件是：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。②放大作用的實質(zhì)是微小的基極電流變化量△IB控制較大的集電極電流變化量△IC。③三極管是一個電流控制器件。

三極管的伏安特性曲線包括輸入特性曲線和輸出特性曲線，通常是指三極管的各電極之間電流、電壓之間的關(guān)系。

(1)輸入特性曲線——指在集電極和發(fā)射極之間的管壓降UCE一定時，

IB（基極電流）與UBE之間的關(guān)系曲線。

硅管的死區(qū)電壓