第十四章 半导体器件

1、1 电工学下册电工学下册 电子技术电子技术 电控学院电控学院 袁海英袁海英 2 模拟电子技术模拟电子技术 数字电子技术数字电子技术 平时成绩平时成绩: 30 期末考试期末考试: 70 总学时：总学时：80学时学时 理论课实验课理论课实验课 3 4 1.1.掌握二极管、稳压管、三极管的工作原理、掌握二极管、稳压管、三极管的工作原理、 伏安特性、特性曲线及主要参数。掌握二极管、伏安特性、特性曲线及主要参数。掌握二极管、 三极管的应用方法。三极管的应用方法。 2.2.理解理解PNPN结的单向导电性，三极管的电流分配结的单向导电性，三极管的电流分配 和电流放大作用；和电流放大作用； 3.3.了解二极管

2、、稳压管和三极管的基本构造。了解二极管、稳压管和三极管的基本构造。 5 重点重点: : 二极管二极管 三极管三极管 稳压管稳压管 6 导体：导体：自然界中自然界中容易导电容易导电的物质的物质（大多数金属）（大多数金属）。 绝缘体：绝缘体：几乎几乎不导电不导电的物质的物质（橡皮、陶瓷、塑料和石英）（橡皮、陶瓷、塑料和石英）。 半导体：半导体：导电特性处于导体和绝缘体导电特性处于导体和绝缘体之间之间的物质的物质 （锗、硅锗、硅 、砷化镓和一些硫化物、氧化物）、砷化镓和一些硫化物、氧化物）。 7 当受外界热和光的作用时，其导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，其导电能力明显变化。 往纯净半导体中

3、掺入某些杂质，会改善其导电性。往纯净半导体中掺入某些杂质，会改善其导电性。 - - 8 常见半导体常见半导体和和原子结构中原子结构中, ,最外最外 层电子都是四个层电子都是四个, ,称为称为“”。 GeSi 原子结构图中，最外层的电子。原子结构图中，最外层的电子。 9 完全纯净的、具有晶体结构的半导体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体。 共价健共价健 Si Si Si Si 价电子价电子 14.1.2 本征半导体本征半导体 邻近的两个原子邻近的两个原子 各出一个价电子，各出一个价电子， 构成共价键。构成共价键。 10 共价键共共价键共 用电子对用电子对 SiSi SiSi 共价键中，两个价电子

4、被紧紧束缚共价键中，两个价电子被紧紧束缚, ,热力学温度零热力学温度零 度（度（T=0K,-273T=0K,-273 C C）下束缚电子很难脱离共价键成为）下束缚电子很难脱离共价键成为自自 由电子由电子。 结论：结论：本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。 电子？价电子？电子？价电子？ 自由电子？自由电子？ 11 SiSi SiSi 空穴空穴 价电子价电子 自由电子自由电子 12 SiSi SiSi 外电场作用下，空穴外电场作用下，空穴 吸引临近的价电子来填补。吸引临近的价电子来填补。 自由电子和自由电子和空穴空穴，同时又，同时又。 在一定温度下，

5、载流子的产生和复合达到在一定温度下，载流子的产生和复合达到， 半导体中维持一定数目的载流子。半导体中维持一定数目的载流子。 相当于空穴的迁移相当于空穴的迁移 （正电荷的移动）（正电荷的移动） 空穴也是载流子！空穴也是载流子！ 13 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 ：自由电子和空穴：自由电子和空穴 本征半导体中载流子数目少本征半导体中载流子数目少, 导电性能差。导电性能差。 两端外加电压时，出现两部分电流：两端外加电压时，出现两部分电流： 自由电子自由电子作定向运动作定向运动 电子电流电子电流 价电子价电子递补空穴递补空穴 空穴电流空穴电流 14 14.1.3 杂质半导体杂质半导体 1

6、5 N型型半导体（半导体（电子电子半导体）：掺入半导体）：掺入五价五价杂质元素杂质元素 （如磷）使（如磷）使自由电子自由电子浓度大大增加的杂质半导体浓度大大增加的杂质半导体。 P型型半导体（半导体（空穴空穴半导体）：掺入半导体）：掺入三价三价杂质元素杂质元素 （如硼）使（如硼）使空穴空穴浓度大大增加的杂质半导体浓度大大增加的杂质半导体。 两类半导体两类半导体 16 SiSi P+Si 多余电子多余电子磷原子磷原子 N N型半导体中，型半导体中，自由电子是多子，自由电子是多子，主要由杂质原子提供；主要由杂质原子提供； 空穴是少子空穴是少子, , 由热激发形成。由热激发形成。 Si Si Si S

7、i p+ 多多 余余 电电 子子 磷原子磷原子 在常温下即可在常温下即可 变为自由电子变为自由电子 失去一个失去一个 电子变为电子变为 不能移动不能移动 的正离子的正离子 18 N N型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？ 1 1、由杂质原子提供的自由电子，浓度与、由杂质原子提供的自由电子，浓度与杂质杂质原子相同。原子相同。 2 2、本征半导体中由热激发成对产生电子和空穴。、本征半导体中由热激发成对产生电子和空穴。 3 3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度。、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度。 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子浓度远大于空穴浓度。 自由电子称为自由电子

8、称为多子多子，空穴称为，空穴称为少子少子。 Si Si Si Si B 硼原子硼原子 接受一个接受一个 电子变为电子变为 不能移动不能移动 的负离子的负离子 空穴空穴 无论无论N N型或型或P P型半导体型半导体 均呈中性，均呈中性， 对外不呈电性。对外不呈电性。 20 SiSi B-Si 空穴空穴 硼原子硼原子 P P型半导体中，型半导体中，主要由杂质原子提供；，主要由杂质原子提供； , , 由热激发形成。由热激发形成。 21 杂质半导体的示意表示杂质半导体的示意表示 P P型半导体型半导体 N N型半导体型半导体 22 23 14.2 PNPN结及半导体二极管结及半导体二极管 14.2.1

9、 PN 空间空间 电荷区电荷区PN 内电场方向内电场方向 扩散运动 漂移运动 空穴空穴自由电子自由电子 24 多子的扩散运动多子的扩散运动 浓度差浓度差 形成空间电荷区形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 14.2.1 PN 结形成结形成 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的扩散多子的扩散和和少子的漂移少子的漂移达到达到动态平衡动态平衡。形。形 成稳定的空间电荷区（成稳定的空间电荷区（PN结）。结）。 25 内电场内电场 外电场外电场 + + + 14.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 + 变薄变薄 内电场被削弱

10、，多子内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。较大的扩散电流。 P P接正、接正、N N接负接负 (1)(1)( (正偏正偏):):外加电压使外加电压使P P区电位高于区电位高于N N区电位；区电位； 26 内电场内电场 外电场外电场 + + + + (2)(2)( (反偏反偏):):外加电压使外加电压使P P区电位低于区电位低于N N区电位；区电位； + + + + 变宽变宽 内电场被加强，多子扩内电场被加强，多子扩 散受抑制。少子漂移加散受抑制。少子漂移加 强，但有限的少子只能强，但有限的少子只能 形成较小的反向电流。形成较小的反向电流。 P P接负接负、

11、N N接正接正 0I 27 1.PN1.PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的 正向扩散电流：正向扩散电流：PNPN结导通结导通。 结结 论论 2.PN2.PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的 反向漂移电流：反向漂移电流：PNPN结截止结截止。 PNPN结具有单向导电性结具有单向导电性! ! 28 14.2.3 半导体二极管半导体二极管 1. 基本结构基本结构 PN结加上管壳和引线，构成半导体二极管结加上管壳和引线，构成半导体二极管。 PN结面积小，结电容结面积小，结电容 小，用于检波和变频小，用于检波和变频

12、 等高频电路。等高频电路。 金属触丝金属触丝 阳极引线阳极引线 N型锗片型锗片 阴极引线阴极引线 外壳外壳 ( a ) 点接触型点接触型 铝合金小球铝合金小球 N型硅型硅 阳极引线阳极引线 PN结结 金锑合金金锑合金 底座底座 阴极引线阴极引线 ( b ) 面接触型面接触型 PN结面积大，用于结面积大，用于 工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。 29 P N (阳极阳极) (阴极阴极) 阴极引线阴极引线 阳极引线阳极引线 二氧化硅保护层二氧化硅保护层 P型硅型硅 N型硅型硅 ( c ) 平面型 平面型 用于集成电路制作工艺用于集成电路制作工艺 中。中。PNPN结面积可大可小，结面积可大可小

13、， 用于高频整流和开关电用于高频整流和开关电 路中路中 反向击穿反向击穿 电压电压U UBR BR 反向特性反向特性 P N + P N + 2. 二极管伏安特性二极管伏安特性 U I )u(fi DD 31 3. 主要参数主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IOM (2) 反向击穿电压反向击穿电压UBR (4) 反向峰值电流反向峰值电流IRM 允许流过二极管的最大正向平均电流允许流过二极管的最大正向平均电流. . (3) 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM： ：约 约（1/21/3）UBR 32 iD vD ID VD Q iD vD 二极管特性曲线工作点二极管特性曲线工作点Q附

14、附 近近电压变化电压变化与与电流变化电流变化之比：之比： D D D i v r r rD D是对是对Q附近的微小变化量附近的微小变化量 的电阻。的电阻。 （5 5）微变电阻）微变电阻r rD D 33 1.1.考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路 0uD iD (a) UD 考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路 (a) (a) 特性曲线的近似特性曲线的近似 (b) (b) 等效电路等效电路 2.2.理想二极管等效电路理想二极管等效电路 理想二极管等效电路理想二极管等效电路 (a) (a) 特性曲线的近似特性曲线的近似(b) (b) 等效电路等效电路 （一）（一）等效电路等效电

15、路 4. 二极管的等效电路及应用二极管的等效电路及应用 UPN UT ; D导通导通；UPN=UD。 UPNUT ; D截至截至；UPN开路开路。 UPN 0V ; D导通导通；UPN=0V。 UPN0V ; D截至截至；UPN开路开路。 (b) K UD P N 34 RL uiuo ui uo t t （二）二极管的应用（二）二极管的应用 35 36 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态 导通导通 截止截止 分析方法分析方法 理想二极管：理想二极管： 37 D 6V 12V 3k B A UAB + 38 V sin18 i tu t 39 mA4 3 12 2D

16、I B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + D2 起钳位作用，起钳位作用， D1起隔离作用。起隔离作用。 UZ IZ IZM UZ IZ _ + U I O 41 （4 4）稳定电流稳定电流IZ最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5 5）最大允许功耗最大允许功耗 maxZZZM IUP （1 1）稳定电压稳定电压UZ （2 2）电压温度系数电压温度系数( ( U%/) ) （3 3）动态电阻动态电阻 Z Z I U Z r 稳压管正常工作 稳压管正常工作( (反向击穿反向击穿) ) 时管子两端的电压。时管子两端的电压。 愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小

17、，曲线愈陡，稳压性能愈好。 42 L R R R i Z i L i + _ i u o u + _ 稳压电路稳压电路 正常稳压时正常稳压时: ZO UU 稳压条件稳压条件: maxminZZZ III 必须加限流电阻必须加限流电阻 R 43 晶体管的结构晶体管的结构 (a)平面型；平面型； (b)合金型合金型 BE P型硅型硅 N型硅型硅 二氧化碳保护膜二氧化碳保护膜 铟球铟球 N型锗型锗 N型硅型硅 C B E C P P 铟球铟球 (a) (b) 44 半导体三极管的结构图。两类半导体三极管的结构图。两类: :NPN型和型和PNP型。型。 NPN 型型PNP 型型 NPN型符号型符号PN

18、P型符号型符号 发射极发射极，用E或e 表示（Emitter）； 集电极集电极，用C或c 表示（Collector）。 基极基极，用B或b表示（Base） 45 EEB RB RC 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下， 通过载流子传输体现出来的。通过载流子传输体现出来的。 47 B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO 基区空穴基区空穴 向发射区的向发射区的 扩散可忽略扩散可忽略 2. 内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 VCVBVEEC EB 48 IC IB B E N N P EB RB EC IE I

19、BE ICE ICBO B C CBOB CBOC BE CE I I II II I I CEOBCBOBC )(1 IIIII ，有，有忽略忽略 CEO I C BC I I 49 电流为三极管电流的实际方向电流为三极管电流的实际方向 EBC VVV 电流关系：电流关系： EBC VVV + UBE IC IE IB C T E B + UCE NPN型三极管型三极管 + UBE IB IE IC C T E B + UCE PNP型三极管型三极管 测量数据测量数据 BC / II 管子各电极电压与电流的关系曲线，管子管子各电极电压与电流的关系曲线，管子 内部载流子运动的外部表现，反映晶体

20、管性能，是内部载流子运动的外部表现，反映晶体管性能，是 分析放大电路的依据。分析放大电路的依据。 51 mA A V V IC EC IB RB + UBE + UCE EB C E B 3DG100 输入回路输入回路 输出回路输出回路 共发射极电路共发射极电路 常常数数 CE )( BEB U UfI 3DG100晶体管的晶体管的 输入特性曲线输入特性曲线 O 0.40.8 IB/ A UBE/V UCE1V 60 40 20 80 非线性！非线性！ 常常数数 B )( CEC I UfI 共发射极电路共发射极电路 IC EC=UCC IB RB + UBE + UCE EB C E B I

21、C/mA UCE/V 100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 12 4 2.3 1.5 3 2 1 IB =0 3DG100晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 在不同的在不同的I IB B下得出不同的曲线，晶体管的输出特性下得出不同的曲线，晶体管的输出特性 曲线是一簇曲线。曲线是一簇曲线。 输出特性曲线分为三个工作区对应晶体管的三种工作状态输出特性曲线分为三个工作区对应晶体管的三种工作状态 3DG100晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 IC/mA UCE/V 100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 12 4 2.3 1.5 3

22、2 1 IB =0 常常数数 B )( CEC I UfI IC/mA UCE/V 100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 12 4 2.3 1.5 3 2 1 IB =0 截止时截止时, 集电结也处于反偏集电结也处于反偏 ( (UBC 0) )：IC 0,UCE UCC。 截止区：截止区：IB = 0 曲线以下区域。曲线以下区域。 IB = 0 时时, IC = ICEO( (很小，很小，ICEO) )。 IC/mA UCE/V 100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 12 4 2.3 1.5 3 2 1 IB =0 IC UCC/RC 。

23、 当当UCE0) )，晶体管工作于晶体管工作于饱和状态饱和状态。 57 晶体管三种工作状态的电压和电流晶体管三种工作状态的电压和电流 (a)放大放大 + UBE 0 IC IB + UCE UBC 0 + (b)截止截止 IC 0 IB = 0 + UCE UCC UBC 0 IB + UCE 0 UBC 0 + C CC C R U I 晶体管饱和时，晶体管饱和时，UCE 0，集射间如开关接通，电阻很小；，集射间如开关接通，电阻很小； 晶体管截止时，晶体管截止时，IC 0，集射间如开关断开，电阻很大。，集射间如开关断开，电阻很大。 晶体管具有放大作用、开关作用！晶体管具有放大作用、开关作用！

24、 58 0 0.1 0.5 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.3 0.1 0.7 0.3 硅管硅管( (NPN) ) 锗管锗管( (PNP) ) 可靠截止可靠截止开始截止开始截止 UBE/V UBE/VUCE/V UBE/V 截截 止止 放大放大 饱和饱和 工工 作作 状状 态态 管管 型型 晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值 59 工作于动态的三极管，工作信号是叠加在直流工作于动态的三极管，工作信号是叠加在直流 上的交流信号。基极电流的变化量为上的交流信号。基极电流的变化量为 I IB B，相应的集，相应的集 电极电流变化为电极电流变化为 I IC C。 1. 电流放大倍数电

25、流放大倍数 和和 共射接法共射接法直流电流放大倍数直流电流放大倍数： B C I I 交流电流放大倍数交流电流放大倍数： B I IC = 反映晶体管特性，是设计电路、选用晶体管的依据。反映晶体管特性，是设计电路、选用晶体管的依据。 60 537 040 51 B C . . . I I 40 040060 5132 B C . . I I 61 2. 集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO A ICBO B E C ICBO是集电结反偏由少子漂是集电结反偏由少子漂 移形成的反向电流，受温度移形成的反向电流，受温度 影响大。影响大。温度温度ICBO 62 3.集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流ICEO A I