第7章 半導(dǎo)體器件

第7章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)7.2半導(dǎo)體二極管7.3穩(wěn)壓管7.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)7.4半導(dǎo)體三極管7.5場效應(yīng)晶體管7.6半導(dǎo)體光電器件本章要求一、了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；二、理解并掌握PN結(jié)和二極管的單向?qū)щ娦?；三極管的三種工作狀態(tài)。三、會(huì)分析含有二極管的電路。導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。§7.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)7.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.半導(dǎo)體的主要特性(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)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(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)2.本征半導(dǎo)體如單晶硅Si和單晶鍺Ge（1)本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)晶體中原子的排列方式SiSiSiSi硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共用價(jià)電子完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電）；同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。（2）本征半導(dǎo)體中的載流子：Si

SiSi

Si自由電子空穴束縛電子----（本征激發(fā)）Si

SiSi

Si溫度愈高，本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生的自由電子便愈多，空穴數(shù)也愈多。自由電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中的自由電子和空穴便維持一定的數(shù)目。在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理Si

SiSi

Si

*

電子填補(bǔ)空穴,相當(dāng)于空穴的遷移?？昭◣д姾?，空穴移動(dòng)形成空穴電流?？梢哉J(rèn)為空穴也是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子：自由電子和空穴。當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流。

*在外電場的作用下，自由電子移動(dòng)形成電子電流。注意:

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也就愈強(qiáng)。因此，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。摻雜后，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。（1）N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)元素（如磷）。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體

Si

Si

Si

Si+P多余電子磷原子失去一個(gè)電子變?yōu)檎x子

這種半導(dǎo)體中，自由電子導(dǎo)電成為主要導(dǎo)電方式，稱為N型半導(dǎo)體。（2）P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)元素如硼

Si

Si

Si

Si–B硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴是多子，電子是少子。空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為P型半導(dǎo)體。（3）雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子和少子的移動(dòng)都能形成電流，但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。7.1.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娞匦?.PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度將不再變化，即形成PN結(jié)。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－空間電荷區(qū)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄

P區(qū)接高電位、N區(qū)接低電位外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN結(jié)變寬（2）

PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強(qiáng)，促進(jìn)少子的漂移運(yùn)動(dòng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP區(qū)接低電位、N區(qū)接高電位溫度越高，少子的數(shù)目越多，反向電流將增加。–+

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－結(jié)論

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕赫蚱脮r(shí)導(dǎo)通，反向偏置時(shí)截止。7.2.1二極管的結(jié)構(gòu)PN陽極陰極§7.2半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)示意圖VD陰極陽極圖形符號(hào)分類：材料硅管鍺管PN結(jié)的結(jié)構(gòu)點(diǎn)接觸型面接觸型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)幾乎不變。7.2.2二極管的伏安特性UI理想二極管

U>0，二極管導(dǎo)通，且導(dǎo)通管壓降為0V，相當(dāng)于短路。U<0，二極管截止，相當(dāng)開路。小結(jié)2.二極管的正向?qū)▔航担汗?.6~0.7V；鍺0.2~0.3V。3.理想二極管，死區(qū)電壓為零。正向?qū)〞r(shí)壓降為零，相當(dāng)于開關(guān)閉合；反向截止時(shí)電流為零，相當(dāng)于開關(guān)斷開。

1.二極管具有單向?qū)щ娦浴?/p>

二極管加正向電壓（陽極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，處于導(dǎo)通狀態(tài)，正向電阻較小，正向電流較大；二極管加反向電壓（陽極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。1.最大整流電流

IFM二極管長期使用時(shí)，允許的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。7.2.3二極管的主要參數(shù)3.反向飽和電流

IRM指二極管未擊穿時(shí)的最大反向電流。反向電流越小，單向?qū)щ娦栽胶?。溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流大。7.2.4二極管的應(yīng)用判斷二極管導(dǎo)通與否的方法：斷開二極管，分析二極管陽極和陰極電位的高低

二極管的用途：整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。二極管電路分析的關(guān)鍵：判斷二極管的工作狀態(tài)RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例例1：二極管半波整流。（設(shè)二極管為理想器件）ui>0，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=ui

ui<0，二極管截止，可看作開路uo=0○⊕○⊕ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路，uo=8V已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例2：ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––

ui<8V，二極管截止，可看作開路，uo=uiuo8V電路如圖，求：UAB

U陽

=－6VU陰=－12VU陽>U陰二極管導(dǎo)通若為理想二極管，二極管可看作短路，UAB=－6V若二極管正向?qū)▔航禐?.7V？例3：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。D6V12V3k

BAUAB+–，則UAB為－6.7V兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。U1陽

=－6V，U2陽=0V，U1陰

=U2陰=－12V∴VD2優(yōu)先導(dǎo)通，VD1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例4:VD1承受反向電壓為－6V流過VD2

的電流為求：UABBVD16V12V3k

AVD2UAB+–注意若兩個(gè)二極管為共陽極接法，陰極電位低的二極管優(yōu)先導(dǎo)通；若兩個(gè)二極管為共陰極接法，陽極電位高的二極管優(yōu)先導(dǎo)通。習(xí)題7.1(a)

如圖，設(shè)二極管的導(dǎo)通管壓降為0.7V，求下圖所示電路的輸出電壓Uo。--VD1Ui=10V＋Uo+10kΩVD21V4V

VD1優(yōu)先導(dǎo)通，VD2截止，所以輸出電壓

Uo=1.7V1V4V7.3.1符號(hào)UZIZIZM

UZ

IZ7.3.2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)要加限流電阻穩(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。UIO7.3穩(wěn)壓管_+VS（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）電壓溫度系數(shù)

U（%/℃）穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動(dòng)態(tài)電阻7.4.1基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECPNP型PPNBEC基極發(fā)射極集電極符號(hào)：BECVTBECVTNPN型三極管PNP型三極管7.4半導(dǎo)體三極管發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（三極管放大的內(nèi)部條件）集電區(qū)：結(jié)面積最大分類：材料硅管鍺管結(jié)構(gòu)類型NPN型PNP型7.4.2三極管的電流放大作用1.三極管放大的外部條件BECNNPUBBRBUCCRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP：發(fā)射結(jié)正偏

UB<UE集電結(jié)反偏UC<UB從電位的角度看：

NPN型：發(fā)射結(jié)正偏UB>UE

集電結(jié)反偏UC>UB

UC>UB>UEUC＜UB

＜UE2、三極管的電流分配關(guān)系IE＝IB＋

IC（直流電流放大系數(shù)）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分配到集電極的電流比分配到基極的電流大的多，這種特性稱為三極管的靜態(tài)（直流）電流放大作用。（交流電流放大系數(shù)）

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三極管的動(dòng)態(tài)（交流）電流放大作用。電流放大的實(shí)質(zhì)：用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化，是流控器件。結(jié)論：三極管對(duì)直流和交流都有電流放大作用。3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律BECNNPUBBRBUCCIEIC發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散。形成發(fā)射極電流IE（忽略空穴電流）。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IB，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流。RC集電結(jié)反偏，對(duì)于從基區(qū)擴(kuò)散來的電子是加速電場，集電區(qū)收集電子，形成IC。IB忽略基區(qū)空穴的擴(kuò)散發(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(shí)驗(yàn)線路ICEBmA

AVUCEUBERBIBECV++––––++7.4.3伏安特性曲線1、輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓：硅管UBE0.6~0.7V鍺管UBE0.2~0.3VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)（線性區(qū)）特點(diǎn)：在放大區(qū)，IC幾乎與UCE

無關(guān)，只受IB的控制，IC=

IB

。具有受控恒流源特性。工作在放大狀態(tài)的條件：發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)特點(diǎn)：在截止區(qū)，IC0

。C、E間相當(dāng)于開關(guān)斷開。工作在截止?fàn)顟B(tài)的條件：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置。截止區(qū)UCCRCCE截止?fàn)顟B(tài)的三極管IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120飽和區(qū)（3）飽和區(qū)特點(diǎn)：在飽和區(qū)，IC≠

IB，

深度飽和時(shí)，管壓降：

硅管UCES0.3V

鍺管UCES0.1VC、E間相當(dāng)于開關(guān)閉合。工作在飽和狀態(tài)的條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)也正偏。UCCRCCE飽和狀態(tài)的三極管小結(jié)：三極管的三種工作狀態(tài)（1）放大狀態(tài)

條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。特點(diǎn)：IC受IB的控制，IC=

IB

——受控恒流源特性。（2）飽和狀態(tài)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。特點(diǎn)：IC≠IB

，管壓降UCES≈0，C、E間相當(dāng)于開關(guān)閉合。（3）截止?fàn)顟B(tài)

條件：發(fā)射結(jié)反偏。特點(diǎn)：IB=0，IC

0。C、E間相當(dāng)于開關(guān)斷開。注意①飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)又稱為開關(guān)狀態(tài)。②在模擬電路中，通常要求三極管工作在放大狀態(tài)；在數(shù)字電路中穩(wěn)態(tài)時(shí)三極管工作在開關(guān)狀態(tài)。③三極管的發(fā)射結(jié)正偏時(shí)，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。（放大導(dǎo)通或飽和導(dǎo)通）0.7V4V00.7V0.3V0

04V0判斷以下NPN型三極管的工作狀態(tài)。放大飽和截止例：（N）（P）（N）CBE測得放大電路中幾個(gè)晶體管各極對(duì)參考點(diǎn)的電位分別為：

（1）Ux=3.5V、Uy=2.8V、Uz=12V

（2）Ux=-3V、Uy=-2.7V、Uz=-6V判斷它們的材料和類型，并確定三個(gè)電極。先求發(fā)射結(jié)電壓（電位接近的兩個(gè)電極間電壓），判斷材料。若等于0.7V左右，為硅管；若等于0.3V左右，為鍺管。同時(shí)可確定另外一個(gè)電極為C極。根據(jù)電位關(guān)系確定類型：NPN管：UC＞UB＞UE

；PNP管：UC

＜UB

＜UE

。分析方法：例：

（1）Ux=3.5V、Uy=2.8V、Uz=12V

（2）Ux=-3V、Uy=-2.7V、Uz=-6V判斷它們的材料和類型，并確定三個(gè)電極。（1）c(z)、b(x)、e(y)，NPN型硅管（2）c(z)、b(x)、e(y)，PNP型鍺管分析結(jié)果：7.4.4

主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)