第七章半導體器件n

1電工與電子技術廖京盛信息學院電氣工程教研室email:ljsmm@163.comTEL626828)電子技術

第七章

半導體器件模擬電路部分第七章半導體器件§7.1半導體二極管§7.2穩(wěn)壓二極管§7.4雙極晶體管本章要求：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，理解主要參數的意義；三、會分析含有二極管的電路。第七章半導體器件

學會用工程觀點分析問題，就是根據實際情況，對器件的數學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果。

對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差,工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。

對于元器件，重點放在特性、參數、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內部機理。討論器件的目的在于應用。1導體、半導體和絕緣體導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。

第一節(jié)半導體二極管半導體的導電特性：(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）。半導體可以分為本征半導體和雜質半導體光敏性：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2

本征半導體一、本征半導體的結構特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。有半導體構成的管件也稱為晶體管。硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子二、本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產生的電流。

2.空穴移動產生的電流。3

雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。雜質半導體的導電性能取決于雜質濃度。即：多子。多子：多數載流子。少子：少數載流子：P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（空穴半導體）。摻入三價元屬。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。摻入五價元屬。+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導體中的載流子是什么？N型半導體中電子是多子（多數載流子），空穴是少子。一、N型半導體二、P型半導體+4+4+3+4空穴硼原子P型半導體中空穴是多子，電子是少子。1.在雜質半導體中多子的數量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。2.在雜質半導體中少子的數量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。3.當溫度升高時，少子的數量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.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）ba1PN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。空間電荷區(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。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)4PN結及半導體二極管PN結：內電場阻礙多子的運動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－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2PN結的單向導電性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+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+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，由于少子數量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正–+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+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－結論：PN結具有單向導電性

5半導體二極管及其伏安特性結構：一個PN結加上封裝和引線。二極管有許多類型。從工藝上分，有點接觸型和面接觸型；按用途分，有整流管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管和開關二極管等。5.1基本結構(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。

5半導體二極管及其伏安特性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1–12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D5.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.2V。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0.6~0.7V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。5.3主要參數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。

5.4二極管電路分析舉例

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：UABV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。D6V12V3kBAUAB+–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。BD16V12V3kAD2UAB+–例３:+6VRDAVAVBVYDB當VA=3V，VB=0V時，分析輸出端的電位VY。理想二極管：VY=VB=0V∵

UDB>UDA

∴DB優(yōu)先導通，DA截止。

鍺二極管：VY=VB+UD=0.3V

硅二極管：VY=VB+UD=0.7V-6VRDAVAVBVYDB∵

UDA>UDB

∴DA優(yōu)先導通，DB截止。理想二極管：VY=VA=3V

鍺二極管：VY=VA

-

UD=2.7V

硅二極管：VY=VA-

UD=2.3V下一節(jié)上一頁下一頁返回上一節(jié)練習：電路如圖，求輸出Uo解：ui>6V時，二極管截止，uo=uiui<6v時，二極管導通，uo=6V電源變壓器:將交流電網電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網波動及負載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。6二極管的整流濾波小功率直流穩(wěn)壓電源的組成u4uou3u2u1交流電源負載變壓整流濾波穩(wěn)壓整流電路的任務：把交流電壓轉變?yōu)橹绷髅}動的電壓。常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理，即二極管的正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。uDO一、單相半波整流電路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管D導通；3.工作波形

u負半周，Va<Vb，二極管D截止。1.電路結構–++–aTrDuoubRLioutOuoO穩(wěn)壓二極管（工作在反向擊穿區(qū)）7.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓_+

穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓

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。（3）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、IZmin。（4）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數:（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）動態(tài)電阻在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡，穩(wěn)壓性能越好。保證穩(wěn)壓管擊穿所對應的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。超過Izmax穩(wěn)壓管會因功耗過大而燒壞。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RL

減小時，Io增加，Iz減小，Iz在一定范圍內，Uz不變，Uz=Uo，Uo穩(wěn)定。

電流關系是：I=(Ui-Uz)/R基本保持不變I=Iz+IoIo=Uo/RLIz=I-Uo/RL例

穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，正向壓降忽略不計。當輸入電壓Ui分別為直流10V、3V、-5V時，求輸出電壓UO；若ui=10sinωtV，試畫出uo的波形。ui10VDZRuoui++––解：Ui=10V：DZ工作在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓，UO=UZ=5VUi=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi=-5V：DZ工作在正向導通狀態(tài)，UO=0Vui=10sinωtV：ui正半周，當ui>UZ，DZ反向擊穿，uO=5V當ui<UZ，DZ反向截止，uO=uiui負半周，DZ正向導通，uO=0V5V返回下一節(jié)上一節(jié)（二）光電二極管

光電二極管工作于反向偏置狀態(tài)。無光照時電路中電流很小，有光照時電流會急劇增加。

光電二極管電路

發(fā)光二極管電路（三）發(fā)光二極管

發(fā)光二極管工作于正向偏置狀態(tài)。正向電流通過發(fā)光二極管時，它會發(fā)出光來，正向工作電壓一般不超過2V，正向電流為10mA左右。發(fā)光二極管常用于數字儀表和音響設備中的顯示器。冷光源。上一頁下一頁返回下一節(jié)上一節(jié)1

基本結構BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型§7.4雙極晶體管基區(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)射極集電極結構特點：集電區(qū)：面積最大2.三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。2.三極管內部載流子的運動規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBEICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE0BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管３．三極管放大的外部條件：必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。BECNNPPNPBCE從電位的角度看：

發(fā)射結正偏VB>VE集電結反偏VC>VB

發(fā)射結正偏VB<VE集電結反偏VC<VB４.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=IB

，IC

IE,

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，是電流控制電流源器件。

即管子各電極電壓與電流的關系曲線，是管子內部載流子運動的外部表現，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據。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，設計性能良好的電路

重點討論應用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線５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ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++一、輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5V

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。正常工作時發(fā)射結電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3V特點:非線性二、輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當UCE大于一定的數值時，IC只與IB有關，IC=IB。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

三．主要參數1.電流放大系數，直流電流放大系數交流電流放大系數當晶體管接成發(fā)射極電路時，

表示晶體管特性的數據稱為晶體管的參數，晶體管的參數也是設計電路、選用晶體管的依據。注意：

和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。在以后的計算中，一般作近似處理：=。2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。4.

集電極最大允許電流ICM5.

集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。

當集—射極之間的電壓UCE超過一定的數值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.

集電極最大允許耗散功耗PCMPCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結溫約為150C，鍺管約為7090C。ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個極限參數可畫出三極管的安全工作區(qū)ICU