第14章半導體器件

電工電子技術1電工電子技術是研究電能在工程技術領域中應用的技術基礎課程。電能的應用極其廣泛，現代一切新的科學技術的發(fā)展無不與電有著密切的關系。電氣化就是把整個國民經濟轉移到最先進的機器設備基礎上，在生產和生活中是廣泛地應用電能。2電工電子技術是一門實踐性較強的技術基礎課，它的目的和任務是使學生獲得電工和電子技術方面的基本理論、基本知識和基本技能，為學習后續(xù)課程以及今后從事工程技術工作打下必要的基礎。值得一提的是，在電工電子技術這門課程中的電工部分主要是作定量分析，而電子部分主要是作定性分析。3第14章半導體器件

半導體器件是電子技術的重要組成部分，是指以半導體二極管和三極管為主的電子控制器件及具有某些特定功能的半導體組合器件。半導體器件具有體積小、重量輕、壽命長、耗電少、工作可靠等優(yōu)點。在現代農業(yè)、現代工業(yè)、現代科學技術和現代國防中獲得了廣泛的應用。4本章的主要內容§14.1半導體的基本知識§14.2

PN結及半導體二極管§14.3特殊二極管§14.4半導體三極管§14.5場效應晶體管5§14.1半導體的基本知識14.1.1導體、半導體和絕緣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。有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。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。6半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。比如：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。714.1.2本征半導體現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi8通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體，稱為本征半導體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。9硅和鍺的晶體結構10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11共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+412本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。13+4+4+4+4本征半導體的導電機理自由電子空穴束縛電子14本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補，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。15本征半導體的導電機理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。1614.1.3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。使自由電子濃度大大增加的雜質半導體稱為N型半導體（電子半導體），使空穴濃度大大增加的雜質半導體稱為P型半導體（空穴半導體）。17N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，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的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。18+4+4+5+4N型半導體多余電子磷原子19N型半導體N型半導體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導體中成對產生的電子和空穴。3、摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）。？20P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。21+4+4+3+4空穴P型半導體硼原子22結論1、N型半導體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導體中受激產生的電子只占少數。N型半導體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。2、P型半導體中空穴是多子，電子是少子。23雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體24§14.2PN結及半導體二極管14.2.1PN結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結。25P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結處載流子的運動26擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場EPN結處載流子的運動內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。27漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場EPN結處載流子的運動所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。28－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0291、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內電場阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向對方運動（擴散運動）。3、P中的電子和N中的空穴（都是少子），數量有限，因此由它們形成的電流很小。請注意3014.2.2PN結的單向導電性

PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。

PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。31PN結正向偏置－－－－++++內電場外電場變薄PN+_內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。32PN結反向偏置－－－－++++內電場外電場變厚NP+_內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數量有限，只能形成較小的反向電流。3314.2.3半導體二極管(1)基本結構PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型34PN結面接觸型PN35(2)伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導通壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)36(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反向擊穿電壓VBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓VRWM一般是VBR的一半。37

③反向電流IRM指二極管加反向峰值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，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。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數，二極管的應用是主要利用它的單向導電性包括整流、限幅、保護等。下面介紹兩個交流參數。38④微變電阻rDiDvDIDVDQ

iD

vDrD是二極管特性曲線工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化量的電阻。39⑤二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現出的電容是勢壘電容。40為了形成正向電流（擴散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P區(qū)有濃度差，越靠近PN結濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。P+-N這樣所產生的電容就是擴散電容CD。41CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，載流子很少，擴散電容CD可忽略。PN結高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd42

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0.6~0.8V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，相當于短路，反向截止時二極管相當于斷開。43二極管正、反向電阻材料鍺二極管硅二極管正向電阻100Ω~1kΩ幾百Ω~幾kΩ反向電阻幾百kΩ幾百kΩ44電路如圖，求：UAB

V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為低于－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。D6V12V3k

BAUAB+–在這里，D

起鉗位作用。

45兩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:此時D1承受的反向電壓為－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。

BD16V12V3k

AD2UAB+–46ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償等。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––47例4：輸入電壓如圖所示，試畫出輸出電壓的波形。RRLuiuRuotttuiuRuo48§14.3特殊二極管14.3.1穩(wěn)壓二極管UIUZIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-49穩(wěn)壓二極管的參數（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）電壓溫度系數

U（%/℃）穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數。

一般來說，低于6V的穩(wěn)壓二極管，它的電壓溫度系數是負的；高于6V的穩(wěn)壓二極管，電壓溫度系數是正的；而在6V左右的管子，穩(wěn)壓值受溫度的影響比較小。因此，選用穩(wěn)定電壓為6V左右的穩(wěn)壓二極管，可得到較好的溫度穩(wěn)定性。50（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmian。（5）最大允許功耗（3）動態(tài)電阻穩(wěn)壓二極管的反向伏安特性曲線愈陡，則動態(tài)電阻愈小，穩(wěn)壓性能愈好。穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電流只是一個作為依據的參考數值，設計選用時要根據具體情況來考慮。管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。5114.3.2光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IV照度增加光電二極管可以用作光控元件，以及光電傳感器。5214.3.3發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色有紅、綠、黃綠色等，它常在儀器中用作指示燈。53

晶體管的種類很多,按照頻率分，有高頻管、低頻管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半導體材料分，有硅管、鍺管等等。但是從它的外形來看，晶體管都有三個電極，常見的晶體管外形如圖所示：

從晶體管的外形可看出，其共同特征就是具有三個電極，這就是“三極管”簡稱的來歷。

§14.4半導體三極管5414.4.1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55BECNNP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56BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結集電結5714.4.2電流放大原理BECNNPEBRBEc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。IE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。IBE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。58BECNNPEBRBEcIE集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBO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。IC=ICE+ICBOICEIBEICE59IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBOICEIBE60ICE與IBE之比稱為電流放大倍數要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。61BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管6214.4.3特性曲線ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB

實驗線路63（1）輸入特性IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。64（2）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。65IC(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)。66IC(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)。67（3）主要參數前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數：1.電流放大倍數和

68工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為

IB，相應的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數為：69例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：

=702.集-基極反向截止電流ICBO

AICBOICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。ICBO受溫度的影響大。ICBO越小越好。713.集-射極反向截止電流ICEO

AICEO72BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBOIBE

IBEICBO進入N區(qū)，形成IBE。根據放大關系，由于IBE的存在，必有電流

IBE。集電結反偏有ICBO734.集電極最大電流ICM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。所以，集電極電流應為：IC=

IB+ICEO而ICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。745.集-射極反向擊穿電壓當集---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25

C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。756.集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導致結溫上升，從而引起晶體管參數變化，所以PC有限制。PCPCM當晶體管因受熱而引起的參數變化不超過允許值時，集電極所消耗的最大功率，稱為集電極最大允許功耗PCM。76ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)晶體管的安全工作區(qū)77

以上所討論的幾個參數，其中β和ICBO（ICEO）是表明晶體管優(yōu)劣的主要指標。

ICM，U(BR)CEO和PCM是極限參數，用來說明晶體管的使用限制。78學習與探討

晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)的摻雜質濃度很高，集電區(qū)的摻雜質濃度較低，這樣才使得發(fā)射極電流等于基極電流和集電極電流之和，如果互換作用顯然不行。晶體管的發(fā)射極和集電極能否互換使用？為什么?

晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，UCE<UBE，集電結也處于正偏，這時內電場大大削弱，這種情況下極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達基區(qū)的電子，因此在相同的基極電流IB時，集電極電流IC比放大狀態(tài)下要小很多，可見飽和區(qū)下的電流放大倍數不再等于β。晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，其電流放大系數是否也等于β？

因為只有這樣才可以大大減少電子與基區(qū)空穴復合的機會，使絕大部分自由電子都能擴散到集電結的邊緣。為什么晶體管基區(qū)摻雜質濃度??？而且還要做得很?。?9【練習與思考】【14.1.3】N型半導體中的自由電子多于空穴，而P型半導體中的空穴多于自由電子，是否N型半導體帶負電，而P型半導體帶正電？解：不是。N型半導體和P型半導體內部電子的數目和原子核的帶正電荷的數目相等，整體上呈電中性。80【14.3.3】N用萬用電表測量二極管的正向電阻時，用R×100擋測出的電阻小，而用R×1k擋測出的電阻值大，這是為什么？解：二極管是典型的非線性電阻器件，如題圖所示，正向伏安特性曲線是彎曲的。用萬用表測得的二極管電阻是其直流電阻，即工作點電壓與電流的比值，當工作點變化時，電阻值也發(fā)生變化。萬用表R×100擋的內阻小，測量時流過二極管的電流大，相當于工作在Q2工作點，而R×1k擋的內阻大，流過二極管的電流小，相當于工作在Q1工作點。工作點的直流電阻可由通過該點和原點的直線斜率來確定，斜率越大電阻越小。所以用大電阻擋測得的二極