電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)-第3版課件第6章半導(dǎo)體器件的基本特性

第六章半導(dǎo)體器件的基本特性第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

6.1.1本征半導(dǎo)體

6.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體第二節(jié)PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管

6.2.1異型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象

6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

6.2.3半導(dǎo)體二極管

6.2.4半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用第三節(jié)半導(dǎo)體晶體管

6.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)及類型

6.3.2晶體管的放大作用

6.3.3晶體管的特性曲線

6.3.4晶體管的主要參數(shù)第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)按導(dǎo)電的性能可以將物質(zhì)分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)的導(dǎo)電性能取決于物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)。我們所關(guān)心的不是半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，而是它的原子結(jié)構(gòu)。1.本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅(Si—Silicon)和鍺(Ge—Germaniun)。-4+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵價(jià)電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴載流子形成與復(fù)合：價(jià)電子獲得能量后擺脫原子核的束縛成為自由電子、空穴對(duì)，當(dāng)自由電子填補(bǔ)空穴后就是復(fù)合。本征半導(dǎo)體載流子的濃度，除與半導(dǎo)體材料本身性質(zhì)有關(guān)外，還與溫度有關(guān)，且ni=pi

。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體(impuritysemiconductor)本征半導(dǎo)體中的載流子濃度很低，導(dǎo)電性能也很弱，摻入少量雜質(zhì)，其導(dǎo)電性能將發(fā)生質(zhì)的變化。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由電子施主原子(1)N型半導(dǎo)體(N-typesemiconductor)在半導(dǎo)體中摻入5價(jià)元素，多出的電子不受共價(jià)鍵的約束，僅受到自身原子核的約束，所以只要得到較少的能量就可以成為自由電子。同時(shí)，還會(huì)有些價(jià)電子擺脫共價(jià)鍵約束，形成電子空穴對(duì)。顯然，在這種雜質(zhì)的半導(dǎo)體中自由電子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴濃度。即nn>>pn

故導(dǎo)電主要靠自由電子。自由電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子。多數(shù)載流子的濃度取決于摻雜的濃度，少數(shù)載流子是半導(dǎo)體材料共價(jià)鍵提供的，主要取決于溫度?？梢宰C明電子與空穴的濃度有如下關(guān)系：根據(jù)原子理論中的“不相容”原理--同一能級(jí)中，最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子和賈米·狄拉克分布函數(shù)可以證明以上等式。(2)P型半導(dǎo)體(P-typesemiconductor)在半導(dǎo)體中摻入3價(jià)元素，當(dāng)它與周?chē)逆N原子組成共價(jià)鍵時(shí)，在缺少電子的地方形成一個(gè)空穴。其它共價(jià)鍵的電子只需較小的能量就可以擺脫原子核束縛移到此空穴，從而形成新的空穴。顯然在這種摻雜半導(dǎo)體中，空穴的濃度大于自由電子的濃度，所以多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子。pp>>np

+4+4+4+4+3+4+4+4+4受主原子空穴第二節(jié)PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管在一塊本征半導(dǎo)體上，用工藝的辦法使一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，則在兩種半導(dǎo)體的交界處形成一個(gè)P-N結(jié)。P-N結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。1.異型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象擴(kuò)散—濃度差異導(dǎo)致的載流子移動(dòng)P區(qū)N區(qū)自建場(chǎng)

耗盡區(qū)P區(qū)空間電荷區(qū)N區(qū)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦云啤陔妶?chǎng)作用下載流子的定向移動(dòng)

UR+-

自建場(chǎng)I

外電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)

UR-+

自建場(chǎng)

I

外電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)3.半導(dǎo)體二極管

(1)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

金屬觸絲N型鍺片陽(yáng)極引線陰極引線外殼(a)點(diǎn)接觸型

陽(yáng)極引線二氧化硅保護(hù)層

P型硅陰極引線

(b)平面型N型硅鋁合金小球陽(yáng)極引線

PN結(jié)

N型硅金銻合金底座陰極引線

(c)面接觸型

陽(yáng)極陰極

(d)符號(hào)(2)半導(dǎo)體二極管的伏安特性

I(mA)2010-40-2000.40.8U(V)-10-20(nA)(a)硅二極管的伏安特性曲線

I(mA)2010-60-3000.20.4U(V)-10-20(μA)(b)鍺二極管的伏安特性曲線正向特性：門(mén)限電壓Uon，硅0.6~0.8V；鍺0.1~0.3V反向特性：反向飽和電流，一般很小。硅nA級(jí)，鍺μA級(jí)擊穿特性：反向電壓達(dá)到某一值后，二極管的電流急劇增加，根據(jù)擊穿的內(nèi)部機(jī)制分為雪崩擊穿和齊納擊穿。雪崩擊穿：低濃度摻雜，在強(qiáng)電場(chǎng)作用，獲得能量的自由電子與原子發(fā)生碰撞將價(jià)電子“打”出共價(jià)鍵，形成更多的載流子；齊納擊穿：高濃度摻雜，阻擋層很窄，無(wú)足夠加速空間，但很窄空間形成的強(qiáng)電場(chǎng)可以將價(jià)電子直接“拉”出來(lái)，使電流急劇增加。(3)半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)①最大整流電流IF。二極管允許通過(guò)的最大正向平均電流。如果電流長(zhǎng)時(shí)間電流超過(guò)此值，二極管會(huì)因過(guò)熱而燒壞。此值取決于結(jié)面積、材料和散熱情況。②最大反向工作電壓UR。二極管允許的最大反向工作電壓。當(dāng)反向電壓超過(guò)此值就可能被擊穿。③反向電流IR。二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。此值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩＂茏罡吖ぷ黝l率fM。此值的大小主要取決于結(jié)電容的大小。結(jié)電容越大，允許工作頻率越低。⑤二極管的直流電阻RD。二極管兩端電壓與流過(guò)二極管中電流之比。⑥二極管的交流電阻rd。二極管兩端電壓變化量與流過(guò)二極管中電流變化量之比。

I(mA)

rd8060ΔI40Q

ΔU200U12(V)

I(mA)

RD80Q

6040200U1UF2(V)IF(4)特殊二極管①穩(wěn)壓二極管工作原理：穩(wěn)壓二極管工作在PN結(jié)的擊穿區(qū)。在擊穿區(qū)電壓的微小變化會(huì)引起電流較大范圍的變化，利用這一特性可以起到穩(wěn)定輸出電壓的目的。注意事項(xiàng)：1.穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，因此電源正極接N、負(fù)極接P；2.穩(wěn)壓管與負(fù)載并聯(lián)；3.在穩(wěn)壓電路中必須有限流措施。穩(wěn)壓原理：

IR+R

ILUi

DZ

RL

IZ_I+

0

U-

ΔUΔIUO主要參數(shù)：1.穩(wěn)定電壓UZ：工作在擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定工作電壓。是穩(wěn)壓管的關(guān)鍵參數(shù)。2.穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)要求的最小電流。穩(wěn)壓管工作電流通常大于此電流值。3.動(dòng)態(tài)電阻rz：穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí)兩端電壓變化量與電流變化量之比，此值越小，說(shuō)明穩(wěn)壓性能越好。4.額定功率Pz：是保證穩(wěn)壓管正常工作的關(guān)鍵參數(shù)。5.穩(wěn)壓溫度系數(shù)αz：描述穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓隨溫度而改變情況，一般UZ>7V具有正溫度系數(shù)，在4~7V之間溫度系數(shù)為負(fù)。②變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管主要是利用PN結(jié)內(nèi)耗盡層的空間電荷引起的。由于在耗盡層內(nèi)N區(qū)積聚了正電荷，P區(qū)積聚了負(fù)電荷，形成了與平板電容器結(jié)構(gòu)相似的形式。當(dāng)外加電壓變化時(shí)，空間電荷的增加和減少相當(dāng)于平板電容的沖放電。因此顯示了電容效應(yīng)。變?nèi)荻O管就是利用這一特點(diǎn)而制造的。

自建場(chǎng)平衡時(shí)阻擋層形成

耗盡區(qū)P區(qū)空間電荷區(qū)N區(qū)③光電二極管利用某些對(duì)光敏感的半導(dǎo)體制成的二極管。光的強(qiáng)弱會(huì)引起反向電流的變化，換句話說(shuō)，反向電流的大小，表明了外界光的強(qiáng)弱。

I(μA)-10–8–6–4–2無(wú)光照0U(V)照度-50增大akak

I受光面④發(fā)光二極管發(fā)光二極管是利用某些材料有電流流過(guò)時(shí)會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的光而制成的。發(fā)光二極管經(jīng)常用來(lái)作為指示、裝飾等顯示作用，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到。4.半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用范圍很廣，利用二極管的單相導(dǎo)電特性，可組成整流、檢波、鉗位、限幅、開(kāi)關(guān)等電路。利用二極管的其他特性，可使其應(yīng)用在穩(wěn)壓、變?nèi)?、溫度補(bǔ)償?shù)确矫妗?/p>

(1)整流電路

u20T/2T3T/22Tt

TD+io++~220Vu2

RL

uo---半波整流uo,io

0T/2T3T/22Tt

Ta++D4

D1~220V

u2

cb-io-D3

D2+

d

uo-橋式整流uo,io0T/2T3T/22Tt(2)二極管限幅電路二極管限幅電路主要作用是限制輸出電壓幅度，以適應(yīng)不同要求，特別是經(jīng)常用于保護(hù)電路中的器件。

+R+

D1

D2ui

uo5V5V--

ui5V0t-5V

uo5V0t-5V第三節(jié)半導(dǎo)體三極管三極管是組成各種電子電路的核心器件。外形如圖。1.三極管的結(jié)構(gòu)及類型用工藝的辦法將兩個(gè)PN結(jié)背靠背地連接起來(lái)組成三極管。如果將兩個(gè)二極管背靠背地連接起來(lái)會(huì)怎樣呢？

c

b

幾微米幾百微米

eNNP

集電極c集電結(jié)c

c

集電區(qū)

b

b基極b

基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)e

e

發(fā)射極e

N

NPNPN型PNP型

3AX813AX13DG13AD102.三極管的放大作用為了分析理解方便，我們均以NPN管為例，PNP管的工作原理與之完全相同。內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

①發(fā)射區(qū)重?fù)诫s。作用是向基區(qū)注入載流子。②基區(qū)低摻雜且很薄。作用是傳輸控制載流子。③集電區(qū)面積很大。作用是收集載流子。外部條件：外部電源應(yīng)保證發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)反向偏置。(1)載流子傳輸過(guò)程①發(fā)射。由于發(fā)射結(jié)正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子--電子注入到基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE。當(dāng)然也有基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，只是這部分電流很小，一般忽略不計(jì)。②擴(kuò)散與復(fù)合。從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子，在發(fā)射結(jié)附近濃度很高，由于集電結(jié)反向偏置，在集電結(jié)處的電子幾乎為0，濃度差將使注入到基區(qū)的電子向集電結(jié)擴(kuò)散。在擴(kuò)散的過(guò)程中，有一部分電子將與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成基極電流IBN。由于基區(qū)摻雜濃度低且很薄，所以復(fù)合電子數(shù)很少，大部分電子擴(kuò)散到集電結(jié)處。③收集。由于集電結(jié)反向偏置，擴(kuò)散到集電結(jié)處的電子將在反向偏置的作用下很快漂移到集電區(qū)，被集電區(qū)收集，形成電流ICN。此外，由于集電結(jié)反向偏置，集電區(qū)與基區(qū)的少數(shù)載流子會(huì)形成反向飽和電流ICBO

Ic

c

ICNRc

ICBO

N

b

UCCP

IB

IBN

RB

IE

N

UBB

IEe(2)電流分配三極管實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電流分配器，它把發(fā)射極注入的電子按一定比例分配給集電極和基極。晶體管制成以后，這種比例就確定了。用一組參數(shù)來(lái)描述這種分配規(guī)律。共基極直流電流放大系數(shù)：發(fā)射極直流放大系數(shù)：

Ic

c

ICNRc

ICBO

N

b

UCCP

IB

IBN

RB

IE

N

UBB

IEe若三極管基極開(kāi)路，則IB=0，故有：ICEO為基極開(kāi)路三極管的集電極電流，常稱為穿透電流。交流放大系數(shù)是指電流變化量之比。3.三極管的三種連接方式三極管共有三個(gè)極，輸入、輸出各一個(gè)極，第三個(gè)極是輸入、輸出回路的公共端，根據(jù)公共端的不同，三極管的可以分為共基極、發(fā)射極和集電極三種連接方式。

IeIcce

bIcbIeecIbIbIbbIeeIcc(a)共基極(b)共發(fā)射極(c)共集電極4.三極管的特性曲線三極管外部極間電壓與電流的相互關(guān)系稱為三極管的特性曲線。特性曲線比較直觀地反映了各極電壓與電流之間的關(guān)系。(1)輸入特性即在UCE不變時(shí)，輸入回路的IB與電壓UBE之間的關(guān)系曲線。

iC

iBRC

RBiEUCCUBBib/μA

00.20.40.60.8UBE

輸入特性UCE=0VUCE≥1V80604020ic(mA)

放大區(qū)飽和區(qū)

IB=60μA

IB=50μA

IB=40μAIB