第14章 半導(dǎo)體器件課件

第14章半導(dǎo)體器件14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電性14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?4.3二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5雙極型晶體管14.6光電器件第14章半導(dǎo)體器件掌握二極管的單向?qū)щ娦约皯?yīng)用；掌握理想二極管、穩(wěn)壓二極管的伏安特性及應(yīng)用；熟練掌握三極管的電流放大作用和開(kāi)關(guān)作用，以及三極管三個(gè)工作區(qū)域的判定。重點(diǎn)內(nèi)容第14章半導(dǎo)體器件第14章半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件是電子技術(shù)的重要組成部分。半導(dǎo)體器件的發(fā)展：分立半導(dǎo)體器件→小規(guī)模集成電路→中規(guī)模集成電路→大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。最常用的半導(dǎo)體器件：半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管。半導(dǎo)體二極管和三極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和參數(shù)是學(xué)習(xí)電子技術(shù)和分析電子電路必不可少的基礎(chǔ)。第14章半導(dǎo)體器件第14章半導(dǎo)體器件14.1.1本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。Si硅原子Ge鍺原子§14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性28184+32+14284第14章半導(dǎo)體器件硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子完全純凈的、晶格完整的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。第14章半導(dǎo)體器件空穴和自由電子的形成共價(jià)鍵共用電子對(duì)自由電子空穴SiSiSiSi因此，當(dāng)在半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：電子電流：自由電子做定向運(yùn)動(dòng)所形成的電流?？昭娏鳎亨徑鼉r(jià)電子遞補(bǔ)空穴形成的電流。（注意：價(jià)電子仍被原子核所束縛，不是自由電子。）空穴被認(rèn)為帶一個(gè)單位的正電荷，并且可以移動(dòng)。第14章半導(dǎo)體器件本征半導(dǎo)體小結(jié)在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。在半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴。溫度對(duì)半導(dǎo)體性能的影響很大，溫度愈高，載流子的數(shù)目就愈多，導(dǎo)電性能也就愈好。本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，同時(shí)又不斷復(fù)合，在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，于是半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目便維持一定數(shù)目。本征半導(dǎo)體中兩種載流子的數(shù)目很少，導(dǎo)電能力是很弱的，但是如果在其中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。第14章半導(dǎo)體器件14.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：又稱為電子半導(dǎo)體，自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體：又稱為空穴半導(dǎo)體，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子?！?/p>

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。第14章半導(dǎo)體器件☆N型半導(dǎo)體多余電子磷離子硅原子+N型硅表示SiPSiSi硅或鍺+少量磷

N型半導(dǎo)體+第14章半導(dǎo)體器件硼離子P型硅表示SiSiSiB硅原子硅或鍺+少量硼

P型半導(dǎo)體☆P型半導(dǎo)體-空穴第14章半導(dǎo)體器件雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體第14章半導(dǎo)體器件14.2.1PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)?！?4.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘?4章半導(dǎo)體器件P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律第14章半導(dǎo)體器件P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。第14章半導(dǎo)體器件擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)是一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，最終二者會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，相當(dāng)于空間電荷區(qū)沒(méi)有電荷的運(yùn)動(dòng)，則空間電荷區(qū)的厚度將不再發(fā)生改變。PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律第14章半導(dǎo)體器件14.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓，即正向偏置：

PN結(jié)加反向電壓，即反向偏置：P區(qū)加正電壓、N區(qū)加負(fù)電壓。P區(qū)加負(fù)電壓、N區(qū)加正電壓。第14章半導(dǎo)體器件PN結(jié)正向偏置——呈低阻導(dǎo)通狀態(tài)－－－－++++外電場(chǎng)減弱內(nèi)電場(chǎng)，使擴(kuò)散加強(qiáng)，擴(kuò)散飄移，形成較大的正向/擴(kuò)散電流?？臻g電荷區(qū)變薄PN+_正向電流第14章半導(dǎo)體器件PN結(jié)反向偏置——呈高阻截止?fàn)顟B(tài)－－－－++++空間電荷區(qū)變厚NP+_++++－－－－外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，使擴(kuò)散停止，有少量飄移，反向電流很小，

A級(jí)。第14章半導(dǎo)體器件14.3.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。PN陽(yáng)極陰極§14.3二極管PN符號(hào)+—D二極管1N4148第14章半導(dǎo)體器件14.3.1基本結(jié)構(gòu)☆按結(jié)構(gòu)分類：有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三類。點(diǎn)接觸型金銻合金面接觸型N型硅

陽(yáng)極引線陰極引線PN結(jié)底座鋁合金小球引線觸絲N型鍺外殼小功率高頻大功率低頻第14章半導(dǎo)體器件按材料分類：硅管（一般為面接觸型）和鍺管（一般為點(diǎn)接觸型）。按用途分類：普通二極管、整流二極管和開(kāi)關(guān)二極管。14.3.1基本結(jié)構(gòu)第14章半導(dǎo)體器件★二極管的幾種外形14.3.1基本結(jié)構(gòu)第14章半導(dǎo)體器件14.3.2伏安特性u(píng)i導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)

死區(qū)電壓：（開(kāi)啟電壓）硅管0.5V

鍺管0.1VuiE+-反向飽和電流：很小，

A級(jí)反向擊穿第14章半導(dǎo)體器件14.3.3主要參數(shù)（1）最大整流電流I0M

二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，所允許通過(guò)的最大正向平均電流。（2）反向工作峰值電壓URWMIRM一般取反向擊穿電壓的一半或三分之二。（3）反向峰值電流

二極管加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。第14章半導(dǎo)體器件二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用是利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、檢波、限幅、保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)元件等。理想二極管：正向壓降為0，反向電阻為無(wú)窮大。第14章半導(dǎo)體器件例1：二極管半波整流RLuiuOuiuott第14章半導(dǎo)體器件例2：二極管的檢波作用(設(shè)RC時(shí)間常數(shù)很?。㏑RLuiuRuotttuiuRuoCt1t2U第14章半導(dǎo)體器件例3:

電路如圖所示，求輸出端Y的電位VY。設(shè)二極管導(dǎo)通時(shí)的壓降為0.3V。VY=+2.7V解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。DA起鉗位作用，DB起隔離作用。Y-12VAB+3V0VDBDAR第14章半導(dǎo)體器件二極管應(yīng)用舉例例4:

試判斷圖中兩個(gè)理想二極管的工作狀態(tài)，并求出二極管中的電流。12VAB3kΩ6VD2D1ID2ID1+-+-解：第14章半導(dǎo)體器件§14.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管符號(hào)DZ☆穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。☆穩(wěn)壓二極管在電路中與適當(dāng)阻值的電阻配合后起穩(wěn)定電壓的作用?！罘€(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當(dāng)工作電流IZ

在Izmax和Izmin之間時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)。第14章半導(dǎo)體器件§14.4穩(wěn)壓二極管IZmaxuiUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓—++—第14章半導(dǎo)體器件穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

正常工作時(shí)管子兩端的電壓。

一般穩(wěn)壓值高于6V的為正溫度系數(shù)，低于6V的為負(fù)溫度系數(shù)，6V左右的穩(wěn)壓管受溫度的影響較小。

穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電流是一個(gè)參考值,一般給出最大穩(wěn)定電流（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）電壓溫度系數(shù)（3）穩(wěn)定電流IZIZM。（4）動(dòng)態(tài)電阻與最大允許耗散功率rZPZM第14章半導(dǎo)體器件穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例RLuiuORDZiIziLUZ穩(wěn)壓二極管的技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k

，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5k~4k

，是否還能穩(wěn)壓？第14章半導(dǎo)體器件ui=12VUZ=10VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5mAi=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10mA

iZ=i-iL=10-5=5mA若RL=1.5k,則iL=10/1.5=6.7mA,iZ=10-6.7=3.3mA若RL=4k,則iL=10/4=2.5mA,iZ=10-2.5=7.5mA負(fù)載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用RLuiuORDZiiziLUZ第14章半導(dǎo)體器件幾種常見(jiàn)的三極管實(shí)物圖(d)功率三極管(e)貼片三極管§14.5雙極型晶體管（三極管）(a)普通塑封三極管(b)金屬封裝(c)金屬封裝大功率三極管小功率三極管第14章半導(dǎo)體器件14.5.1基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型第14章半導(dǎo)體器件發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極+++++++++++++__________________________+++++++++++++第14章半導(dǎo)體器件BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低集電區(qū)：面積最大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高第14章半導(dǎo)體器件BECNPN型三極管BECPNP型三極管三極管的符號(hào)表示NPNCBEPNPCBE硅管（3D系列）鍺管（3A系列）第14章半導(dǎo)體器件14.5.2電流分配和放大原理ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB

實(shí)驗(yàn)電路(共發(fā)射極接法)CBERCmAIE第14章半導(dǎo)體器件晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此測(cè)量結(jié)果可得出如下結(jié)論：(1)IE=IC+IB符合基爾霍夫電流定律。(2)IE和IC接近，但是比IB大得多。(3)當(dāng)IB=0（將基極開(kāi)路）時(shí)，IE=ICEO，ICEO<0.001mA(4)晶體管要正常放大：發(fā)射結(jié)必須正偏，集電結(jié)必須反偏。第14章半導(dǎo)體器件IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05晶體管的電流測(cè)量數(shù)據(jù)☆從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得

稱為靜態(tài)電流放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的少量變化

IB可以引起集電極電流較大的變化

IC，這就是晶體管的電流放大作用。

式中，

稱為動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)。第14章半導(dǎo)體器件靜態(tài)電流放大系數(shù)靜態(tài)電流放大系數(shù)與動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)

=IC/

IBIC=

IB動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)

一般認(rèn)為≈，近似為一常數(shù)。常用的晶體管的值范圍：20~200。

=

iC/

iB

iC=

iB第14章半導(dǎo)體器件電流放大的本質(zhì)是：發(fā)射極電流被按照一定比例進(jìn)行分配,這一比例系數(shù)我們稱之為電流放大系數(shù)。BECNNPEBRBECIEIBEICEIcIBRCICBO1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子；2.電子在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合；3.集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子。第14章半導(dǎo)體器件☆要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。BECNNPEBRBEcIE＋＋＋－＋－－－＋＋＋＋－－－－ICIBIBEICEICBORC第14章半導(dǎo)體器件BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管☆不同類型的管子，其偏置電壓不同，使用時(shí)要注意。++-+++-+放大的外部條件第14章半導(dǎo)體器件各級(jí)電流運(yùn)算關(guān)系第14章半導(dǎo)體器件例某晶體管的集電極電流ic為1.6mA。穿透電流ICEO為0.2mA，電流放大系數(shù)?＝40，求基極電流ib和發(fā)射極電流ie。解:

因?yàn)閕c=?ib+ICEO所以

ib=(ic-ICEO)

/?

=(1.6-0.2)mA/40=35μAie=ic+ib

=1.6mA+0.035mA=1.635mA第14章半導(dǎo)體器件14.5.3特性曲線（1）輸入特性曲線：

UCE為常數(shù)，iB=f(uBE)。（2）輸出特性曲線：

IB為常數(shù)，iC=f(uCE)。☆晶體管的特性曲線是用來(lái)表示該晶體管各級(jí)電壓和電流之間相互關(guān)系的，它反映出晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。第14章半導(dǎo)體器件共發(fā)射極電路ICUCERBIBUCCEBRCUBECBEIE+-+-+_UBC第14章半導(dǎo)體器件1.輸入特性曲線（同二極管）:UCE為常數(shù)iB(

A)uBE(V)204060800.40.8UCE1V

死區(qū)電壓，硅管0.5V。工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V第14章半導(dǎo)體器件2.輸出特性（IB為常數(shù)）：曲線族iC(mA)1234uCE(V)36912IB=40A

IB=60AQ1Q2

=IC/

IB=2mA/40A=50

=

iC/

iB

=(3-2)mA/(60-40)A=50

=IC/

IB=3mA/60A=50第14章半導(dǎo)體器件輸出特性：iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A當(dāng)uCE大于一定的數(shù)值時(shí)，iC只與iB有關(guān)，iC=iB,且

iC=

iB

。此區(qū)域稱為線性放大區(qū)。此區(qū)域中uCE

uBE,集電結(jié)正偏，

iB>iC，uCE0.3V稱為飽和區(qū)。此區(qū)域中iB=0,iC=iCEO,uBE<死區(qū)電壓,稱為截止區(qū)。第14章半導(dǎo)體器件輸出特性三個(gè)區(qū)域的主要特點(diǎn)(1)放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

IC=IB,且

IC=

IB

。(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。

I’C達(dá)飽和，

IB>I’C

。（UCE0,UBE0.7V）

(3)截止區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)全反偏。

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0（ICEO穿透電流，很小，

A

級(jí)）

_第14章半導(dǎo)體器件例：

=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

當(dāng)USB=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？USB=-2V，IB=0，IC=0，UCE≈USC=12V，Q位于截止區(qū)。USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mA飽和電流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA

IC=IB=500.019=0.95mA<

ICS=2mA

，Q位于放大區(qū).ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE第14章半導(dǎo)體器件ICUCEIBUSCRBUSBCBERC