電工電子學(xué)第四章：常用半導(dǎo)體器件

第四章常用半導(dǎo)體器件2對(duì)于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過(guò)分追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用。學(xué)會(huì)用工程觀點(diǎn)分析問(wèn)題，即根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡(jiǎn)便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。學(xué)習(xí)要求：34.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)與PN結(jié)4.1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.半導(dǎo)體的特性導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)。金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)。如橡膠、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。如硅、鍺、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。物質(zhì)按導(dǎo)電性可分為4半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)。有時(shí)把半導(dǎo)體叫做晶體。共價(jià)鍵在硅和鍺晶體中，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺。在絕對(duì)零度（T=0K）時(shí)，價(jià)電子被共價(jià)鍵束縛得很緊，不能自由移動(dòng)，因此不能導(dǎo)電。284+14Si28184+32Ge4個(gè)價(jià)電子5自由電子空穴半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴，成對(duì)出現(xiàn)，分別帶負(fù)電和正電。E外加電壓作用下所形成的電流是由自由電子和空穴的運(yùn)動(dòng)形成的。6半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于導(dǎo)體，所以它具有不同于導(dǎo)體的特點(diǎn)。當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體）中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。熱敏電阻光敏電阻根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。7N型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。82.N型半導(dǎo)體自由電子、空穴對(duì)自由電子為多數(shù)載流子（多子），空穴為少數(shù)載流子（少子）。N型半導(dǎo)體靠多數(shù)載流子自由電子導(dǎo)電。在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入少量五價(jià)元素，如磷、砷。5價(jià)原子又稱為施主原子自由電子（電子型半導(dǎo)體）9P型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。103.P型半導(dǎo)體自由電子、空穴對(duì)空穴為多數(shù)載流子（多子），自由電子為少數(shù)載流子（少子）。P型半導(dǎo)體靠多數(shù)載流子空穴導(dǎo)電。在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入少量三價(jià)元素，如硼、鋁。3價(jià)原子又稱為受主原子空穴（空穴型半導(dǎo)體）114.N型、P型半導(dǎo)體的示意表示法P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體負(fù)離子空穴正離子自由電子124.1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體。在兩種半導(dǎo)體交界面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。13N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體多子空穴少子自由電子少子空穴多子自由電子濃度差多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)濃度差14N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的進(jìn)一步擴(kuò)散。15N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)－漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)的方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。16N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)。17N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)。漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變薄，內(nèi)電場(chǎng)變?nèi)酢?8N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)當(dāng)擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變，PN結(jié)形成。192.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：當(dāng)PN結(jié)加外電壓時(shí)，外電壓的正極接P區(qū)、負(fù)極接N區(qū)。

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：當(dāng)PN結(jié)加外電壓時(shí)，外電壓的負(fù)極接P區(qū)、正極接N區(qū)。常用術(shù)語(yǔ)：20P區(qū)N區(qū)PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被削弱21P區(qū)N區(qū)PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被削弱空間電荷區(qū)變薄22P區(qū)N區(qū)PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被削弱空間電荷區(qū)變薄多子的擴(kuò)散加強(qiáng)IF形成較大的擴(kuò)散電流23P區(qū)N區(qū)PN結(jié)反向偏置內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)外電場(chǎng)24P區(qū)N區(qū)PN結(jié)反向偏置內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)外電場(chǎng)空間電荷區(qū)變厚25P區(qū)N區(qū)PN結(jié)反向偏置內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)外電場(chǎng)空間電荷區(qū)變厚多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng),但少子數(shù)量有限,只能形成較小的反向電流IR。IR少子的濃度與溫度有關(guān)，因此IR與溫度有關(guān)，幾乎與外加電壓無(wú)關(guān)。26PN結(jié)的特性當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，有較大的正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通，呈現(xiàn)一低電阻。當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，電流很小，PN結(jié)截止，呈現(xiàn)一高電阻。單向?qū)щ娦訮N結(jié)是組成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)單元274.2半導(dǎo)體二極管4.2.1二極管的特性和主要參數(shù)二極管的圖片發(fā)光二極管光電二極管28將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。電路符號(hào)1、二極管的符號(hào)P區(qū)N區(qū)陽(yáng)極陰極29604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V死區(qū)電壓

硅管：0.5V鍺管：0.1V正向?qū)妷篣F硅管：0.7V鍺管：0.3V2、二極管的伏安特性①正向特性二極管外加正向電壓死區(qū)電壓正向?qū)▍^(qū)＋－ui30604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V二極管外加反向電壓②反向特性反向飽和電流IR正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)二極管失去單向?qū)щ娦?。禁用?、鄯聪驌舸┨匦苑聪驌舸﹨^(qū)擊穿電壓當(dāng)反向電壓增大一定值時(shí)，反向電流劇增。＋－ui31

②最高反向工作電壓UDRM①最大整流電流IFM3、二極管的主要參數(shù)二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)允許流過(guò)的最大正向平均電流。實(shí)際工作時(shí)，管子通過(guò)的電流不應(yīng)超過(guò)該值，否則管子將會(huì)過(guò)熱而損壞。保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓，一般是擊穿電壓的一半。32

③最大反向電流IRM指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓時(shí)的反向飽和電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。所以在使用二極管時(shí)要注意溫度的影響。33二極管是一種非線性器件，一般采用非線性電路的模型分析法。+?iDuD①理想模型4.2.2二極管的電路模型正向偏置uD＝0等效為導(dǎo)線反向偏置等效為開路iD＝034硅管：uD＝0.7V，鍺管：uD＝0.3V。②恒壓降模型+?iDuD正向偏置反向偏置iD＝0＋－uD等效為等效為開路354.2.3二極管應(yīng)用電路利用二極管的單向?qū)щ娦?，可組成整流、檢波、限幅、保護(hù)等電路。D+-uiRL+-uo例輸入電壓ui＝Usinωt，波形如圖所示，試畫出輸出電壓uo的波形。二極管為理想二極管。

tui36常用的判斷方法是：首先假設(shè)二極管斷開，然后求得二極管陽(yáng)極與陰極之間將承受的電壓UU>導(dǎo)通電壓，二極管正向偏置，導(dǎo)通；U<導(dǎo)通電壓，二極管反向偏置，截止；理想二極管的導(dǎo)通電壓＝0分析：判斷二極管在電路中的狀態(tài)：導(dǎo)通還是截止。37解+-uiRL+-uoAB斷開二極管uAB=ui38+-uiRL+-uo當(dāng)ui>0，即uAB>0時(shí)二極管導(dǎo)通原電路等效為+-uiRL+-uouo=ui當(dāng)ui<0，即uAB<0時(shí)二極管截止uo=0原電路等效為39tuituo當(dāng)ui>0時(shí)uo=ui當(dāng)ui<0時(shí)uo=0脈動(dòng)直流輸出直流的平均值40D+-uiRL+-uo單相半波整流電路41例電路如圖所示，已知ui=6sinωt(V),二極管為理想二極管。試畫出uo的波形。+-Dui+-uo3V1k

+-tui042斷開二極管AB+-ui+-uo3V1k

+-uAB＝ui－3解二極管導(dǎo)通當(dāng)ui>3時(shí)，uAB>0當(dāng)ui≤3時(shí)，uAB<0二極管截止43二極管導(dǎo)通當(dāng)ui>3時(shí)，uAB>0當(dāng)ui≤3時(shí)，uAB<0二極管截止+-ui+-uo3V1k

+-原電路等效為uo＝3Vuo＝ui原電路等效為+-ui+-uo3V1k

+-4433當(dāng)ui>3時(shí)，uo＝3V當(dāng)ui≤3時(shí)，uo＝uituiuot00+-Dui+-uo3V1k

+-單向限幅電路45＋－＋－6V12VRD1D2例電路如圖所示，判斷二極管的工作狀態(tài)。AD1導(dǎo)通，D2截止BD1、D2均導(dǎo)通CD1截止，D2導(dǎo)通46＋－＋－6V12VRABCDUAB=12VUCD=18VUCD>UABD2優(yōu)先導(dǎo)通分析斷開二極管在D2導(dǎo)通的情況下，斷開D1，再判斷D1的狀態(tài)。47＋－＋－6V12VRABD1截止綜上分析得：D2導(dǎo)通，D1截止。UAB=－6VAD1導(dǎo)通，D2截止BD1、D2均導(dǎo)通CD1截止，D2導(dǎo)通√48例電路如圖所示，已知ui=8sinωt(V),二極管導(dǎo)通壓降UD=0.7V。試畫出uo的波形。49斷開D1、D2uBA=－2－ui當(dāng)ui<-2.7V時(shí)，uBA>0.7V，uAC<-7.7V，可判斷D1導(dǎo)通。D1導(dǎo)通后VA=-2.7V，D2截止。uAC=ui－5當(dāng)ui>5.7V時(shí)，uAC>0.7V，uBA<-7.7V，可判斷D2導(dǎo)通。D2導(dǎo)通后，VA＝5.7V，D1截止。解：┸50┸當(dāng)-2.7V≤ui≤5.7V時(shí)，uBA

≤0.7V

、uAC

≤0.7V

D1、

D2均截止。uBA=－2－uiuAC=ui－55.7Vui－2.7VD2導(dǎo)通D1截止D1導(dǎo)通D2截止D1、D2均截止51原電路等效為當(dāng)ui<－2.7V時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止。uo＝－2.7V52當(dāng)ui>5.7V時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通。原電路等效為uo＝5.7V53當(dāng)－2.7≤ui≤5.7V時(shí)，D1、D2均截止。原電路等效為uo＝ui54uiuo5.7－2.755雙向限幅電路564.3

半導(dǎo)體三極管571、三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)NNPBEC基極發(fā)射極集電極NPNPPNBEC基極發(fā)射極集電極PNP按結(jié)構(gòu)可分為：NPN型和PNP型。NPN型和PNP型三極管的工作原理相同。在實(shí)際應(yīng)用中，采用NPN型較多，下面以NPN型為例分析討論，所得結(jié)論同樣適用于PNP型。58BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高實(shí)際應(yīng)用時(shí)，集電極和發(fā)射極不能互換。59BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)60BECNPN型三極管BECPNP型三極管三極管的符號(hào)

發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)發(fā)射極電流的實(shí)際方向。P→N612、三極管的電流分配與放大作用用實(shí)驗(yàn)說(shuō)明三極管的電流分配與放大作用。為了使三極管具有放大作用必須使發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。+-UCC+-UBBRBRCmAμAmA幾～十幾伏IBICIE62IB/mA

00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05三極管電流測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)論：IE≈IC②

有電流放大作用。電流放大系數(shù)①IE=IC+IBIBIEIC滿足KCLIB盡管很小，但對(duì)IC有控制作用，IC隨IB的變化而變化。IE=IB+IC=（1+β）IB631.特性曲線4.3.2三極管的特性曲線和主要參數(shù)三極管各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，它是分析和設(shè)計(jì)各種三極管電路的重要依據(jù)。ECiC＋BiBiEuBE－＋－uCE①輸入特性②輸出特性64①輸入特性iB(

A)uBE(V)204060800.40.8UCE1V

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降：硅管UBE0.7V鍺管UBE0.3V65iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏②輸出特性661234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域

IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。iC(mA)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏671234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AiC(mA)此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEOUBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏681234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏小結(jié)iC(mA)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏69（a）（b）例有兩個(gè)三極管分別接在放大電路中，測(cè)得它們的管腳對(duì)“地”的電位分別如圖所示。試判斷管子的三個(gè)電極，并說(shuō)明是硅管還是鍺管？是NPN型還是PNP型？4V3.4V9V

－6V－2.3V－2V

70分析：①工作于放大狀態(tài)的三極管，發(fā)射結(jié)應(yīng)正偏，集電結(jié)應(yīng)反偏，因而NPN型有VC>VB>VE，PNP型有VC<VB<VE。可見(jiàn)基極電位總是居中，據(jù)此可確定基極。②硅管|UBE|=0.6~0.8V，鍺管

|UBE|=0.2~0.4V，則與基極電位相差此值的電極為發(fā)射極，并可判斷是硅管還是鍺管。③余下一電極為集電極。④集電極電位為最高的是NPN型管，集電極電位為最低的是PNP型管。71（a）（b）4V3.4V9V

－6V－2.3V－2V

（a）NPN型硅管，

-基極，-發(fā)射極，-集電極（b）PNP型鍺管，

-集電極，-基極，-發(fā)射極72例測(cè)得電路中三極管3個(gè)電極的電位如圖所示。試問(wèn)管子的工作狀態(tài)？硅管-3V0V-2.7V①發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏，管子工作于截止?fàn)顟B(tài)。硅管?2.8V?1.4V?3.5V②發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，管子工作于放大狀態(tài)。鍺管1.2V1.3V1.5V③發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏，管子工作于飽和狀態(tài)。①②③73復(fù)合三極管使用復(fù)合三極管可獲得更大的電流放大倍數(shù)β。同類：全NPN或全PNP設(shè)T1的電流放大倍數(shù)為β1，T2的為β2。ic=ic1+ic2

=β1

ib1