第14章 半導體器件課件

第14章半導體器件14.1半導體的導電性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章半導體器件掌握二極管的單向?qū)щ娦约皯?；掌握理想二極管、穩(wěn)壓二極管的伏安特性及應用；熟練掌握三極管的電流放大作用和開關(guān)作用，以及三極管三個工作區(qū)域的判定。重點內(nèi)容第14章半導體器件第14章半導體器件半導體器件是電子技術(shù)的重要組成部分。半導體器件的發(fā)展：分立半導體器件→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。最常用的半導體器件：半導體二極管、半導體三極管。半導體二極管和三極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和參數(shù)是學習電子技術(shù)和分析電子電路必不可少的基礎(chǔ)。第14章半導體器件第14章半導體器件14.1.1本征半導體現(xiàn)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。Si硅原子Ge鍺原子§14.1半導體的導電特性28184+32+14284第14章半導體器件硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子完全純凈的、晶格完整的半導體，稱為本征半導體。本征半導體的導電能力很弱。第14章半導體器件空穴和自由電子的形成共價鍵共用電子對自由電子空穴SiSiSiSi因此，當在半導體兩端加上外電壓時，半導體中將出現(xiàn)兩部分電流：電子電流：自由電子做定向運動所形成的電流?？昭娏鳎亨徑鼉r電子遞補空穴形成的電流。（注意：價電子仍被原子核所束縛，不是自由電子。）空穴被認為帶一個單位的正電荷，并且可以移動。第14章半導體器件本征半導體小結(jié)在半導體中，同時存在電子導電和空穴導電，這是半導體導電方式的最大特點，也是半導體和金屬導電原理上的本質(zhì)差別。在半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴。溫度對半導體性能的影響很大，溫度愈高，載流子的數(shù)目就愈多，導電性能也就愈好。本征半導體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，同時又不斷復合，在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復合達到動態(tài)的平衡，于是半導體中載流子的數(shù)目便維持一定數(shù)目。本征半導體中兩種載流子的數(shù)目很少，導電能力是很弱的，但是如果在其中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使導電性能大大增強。第14章半導體器件14.1.2N型半導體和P型半導體N型半導體：又稱為電子半導體，自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。P型半導體：又稱為空穴半導體，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。●

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

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

P型半導體☆P型半導體-空穴第14章半導體器件雜質(zhì)半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體第14章半導體器件14.2.1PN結(jié)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(jīng)過載流子的擴散，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章半導體器件P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動規(guī)律第14章半導體器件P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動PN結(jié)處載流子的運動規(guī)律擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，使內(nèi)電場增強。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。第14章半導體器件擴散運動和漂移運動是一對相反的運動過程，最終二者會達到動態(tài)的平衡，相當于空間電荷區(qū)沒有電荷的運動，則空間電荷區(qū)的厚度將不再發(fā)生改變。PN結(jié)處載流子的運動規(guī)律第14章半導體器件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)加負電壓。P區(qū)加負電壓、N區(qū)加正電壓。第14章半導體器件PN結(jié)正向偏置——呈低阻導通狀態(tài)－－－－++++外電場減弱內(nèi)電場，使擴散加強，擴散飄移，形成較大的正向/擴散電流?？臻g電荷區(qū)變薄PN+_正向電流第14章半導體器件PN結(jié)反向偏置——呈高阻截止狀態(tài)－－－－++++空間電荷區(qū)變厚NP+_++++－－－－外電場加強內(nèi)電場，使擴散停止，有少量飄移，反向電流很小，

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

陽極引線陰極引線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章半導體器件按材料分類：硅管（一般為面接觸型）和鍺管（一般為點接觸型）。按用途分類：普通二極管、整流二極管和開關(guān)二極管。14.3.1基本結(jié)構(gòu)第14章半導體器件★二極管的幾種外形14.3.1基本結(jié)構(gòu)第14章半導體器件14.3.2伏安特性ui導通壓降: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：（開啟電壓）硅管0.5V

鍺管0.1VuiE+-反向飽和電流：很小，

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

二極管長時間使用時，所允許通過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的反向電流值。第14章半導體器件二極管的應用二極管的應用是利用它的單向?qū)щ娦裕饕獞糜谡?、檢波、限幅、保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。理想二極管：正向壓降為0，反向電阻為無窮大。第14章半導體器件例1：二極管半波整流RLuiuOuiuott第14章半導體器件例2：二極管的檢波作用(設(shè)RC時間常數(shù)很小）RRLuiuRuotttuiuRuoCt1t2U第14章半導體器件例3:

電路如圖所示，求輸出端Y的電位VY。設(shè)二極管導通時的壓降為0.3V。VY=+2.7V解：DA優(yōu)先導通，DA導通后，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章半導體器件二極管應用舉例例4:

試判斷圖中兩個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章半導體器件§14.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管符號DZ☆穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型半導體硅二極管?！罘€(wěn)壓二極管在電路中與適當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,當工作電流IZ

在Izmax和Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數(shù)。第14章半導體器件§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章半導體器件穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

正常工作時管子兩端的電壓。

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）動態(tài)電阻與最大允許耗散功率rZPZM第14章半導體器件穩(wěn)壓二極管的應用舉例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，負載電阻RL=2k

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

，是否還能穩(wěn)壓？第14章半導體器件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章半導體器件幾種常見的三極管實物圖(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章半導體器件BECNPN型三極管BECPNP型三極管三極管的符號表示NPNCBEPNPCBE硅管（3D系列）鍺管（3A系列）第14章半導體器件14.5.2電流分配和放大原理ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB

實驗電路(共發(fā)射極接法)CBERCmAIE第14章半導體器件晶體管電流測量數(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IB=0（將基極開路）時，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，

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

=IC/

IBIC=

IB動態(tài)電流放大系數(shù)

一般認為≈，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)擴散電子；2.電子在基區(qū)擴散和復合；3.集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴散過來的電子。第14章半導體器件☆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，使用時要注意。++-+++-+放大的外部條件第14章半導體器件各級電流運算關(guān)系第14章半導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:

因為ic=?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)?！罹w管的特性曲線是用來表示該晶體管各級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章半導體器件共發(fā)射極電路ICUCERBIBUCCEBRCUBECBEIE+-+-+_UBC第14章半導體器件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章半導體器件輸出特性：iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A當uCE大于一定的數(shù)值時，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章半導體器件輸出特性三個區(qū)域的主要特點(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）

_第14章半導體器件例：

=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

當USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(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章半導體器件ICUCEIBUSCRBUSBCBERC