电子技术与基础十四章半导体器件文件

1、电电 子子 技技 术术 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学( (威海威海) ) 信息与电气工程学院信息与电气工程学院 第第1414章章 半导体器件半导体器件返回返回晶体管的诞生晶体管的诞生 1947年年12月月16日日 威廉威廉邵克雷（邵克雷（WilliamShockley） 约翰约翰巴顿（巴顿（JohnBardeen） 沃特沃特布拉顿（布拉顿（WalterBrattain） 成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管，成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管，开辟了电子技术的新纪元开辟了电子技术的新纪元;1950年，威廉年，威廉邵克雷邵克雷开发出双极晶体管开发出双极晶体管（BipolarJunctionTr

2、ansistor），就是现在通），就是现在通用的标准的晶体管。用的标准的晶体管。 第第1414章章 半导体器件半导体器件 晶体管的作用晶体管的作用 晶体管是当今数字世界的构建模块，被认晶体管是当今数字世界的构建模块，被认为是为是20世纪最伟大最重要的发明之一。从最早世纪最伟大最重要的发明之一。从最早被人们熟知的半导体，到如今随处可见的手机、被人们熟知的半导体，到如今随处可见的手机、随身听、随身听、DVD、各种便携式存储器、电视、电、各种便携式存储器、电视、电脑等。只要您能想到的电子产品，几乎都运用脑等。只要您能想到的电子产品，几乎都运用了晶体管技术。了晶体管技术。 英特尔公司董事长贝瑞特博士在

3、庆祝晶体英特尔公司董事长贝瑞特博士在庆祝晶体管诞生管诞生60周年时表示。周年时表示。“晶体管太有魅力了！晶体管太有魅力了！它改变了世界，改变了我们每个人的生活、学它改变了世界，改变了我们每个人的生活、学习和工作方式。在人类发展的路程上，晶体管习和工作方式。在人类发展的路程上，晶体管是我们是我们最好的朋友最好的朋友。”第第1414章章 半导体器件半导体器件 第第14章章 半导体器件半导体器件第第14章章 半导体器件半导体器件14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的间的 物质。物质。半导体的导电特性：热敏特性

4、半导体的导电特性：热敏特性 光敏特性光敏特性 掺杂特性掺杂特性14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 应用最多的本征半应用最多的本征半导体为锗和硅，它们导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都各有四个价电子，都是四价元素是四价元素.硅的原子结构硅的原子结构14.1.114.1.1 本征半导体本征半导体14.1.1 14.1.1 本征半导体本征半导体 纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来 本征半导体晶体结构中的共价健结构本征半导体晶体结构中的共价健结构SiSiSiSi共价键共价键价电子价电子14.1.1 14.1.1 本征半导体本

5、征半导体14.1.1 14.1.1 本征半导体本征半导体 共价键中的电子共价键中的电子在获得一定能量在获得一定能量后，即可挣脱原后，即可挣脱原子核的束缚，成子核的束缚，成为自由电子为自由电子同时在共价键中同时在共价键中留下一个空穴。留下一个空穴。空穴空穴SiSiSiSi自由自由电子电子热激发与复合达到动态平衡热激发与复合达到动态平衡 由于受热或光照由于受热或光照产生自由电子和产生自由电子和空穴的现象空穴的现象- 热激发热激发14.1.1 14.1.1 本征半导体本征半导体 自由电子在自由电子在运动中遇到空运动中遇到空穴后，两者同穴后，两者同时消失，称为时消失，称为复合现象复合现象SiSiSiS

6、i自由电子空穴半导体导电方式半导体导电方式载流子载流子自由电子和空穴自由电子和空穴温度对半导体器件性温度对半导体器件性能的影响很大。能的影响很大。14.1.1 14.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi价电子空穴 当半导体两端当半导体两端加上外电压时，自加上外电压时，自由电子作定向运动由电子作定向运动形成电子电流；而形成电子电流；而空穴的运动相当于空穴的运动相当于正电荷的运动正电荷的运动14.1.1 14.1.1 本征半导体本征半导体 Si Si Si Sip+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正离子正离子 Si

7、 Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴14.1.2 N14.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 注意：注意：不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然流子占多数，但是整个晶体仍然是是不带电不带电的。的。14.1.2 N14.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使空间扩散的结果使空间电荷区变宽。电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 +形成空间电荷区形成空间电荷区PN 结变窄结变

8、窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+ 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+ PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电流结的电流是少子的漂移电流 -反向电流反向电流特点特点: : 受温度影响大受温度影响大原因原因: : 反向电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的14.2.1 PN14.2.1 PN结的形成结的形成扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强扩散强漂移运动增强漂移运动增

9、强内电场增强内电场增强两者平衡两者平衡PNPN结宽度基本稳定结宽度基本稳定外加外加电压电压平衡平衡破坏破坏扩散强扩散强漂移强漂移强PNPN结导通结导通PNPN结截止结截止14.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性结结 论论 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。结电阻很低，正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。结电阻很高，反向电流很小。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

10、) 平面型平面型触丝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 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+14.3.3 伏安特性的折线化I0I0US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 若二极管是理想的，若二极管是理想的，例例1：D6V12V3k BAUAB+14.3.5 14.3

11、.5 应用举例应用举例14.3.5 14.3.5 应用举例应用举例 例例2: 图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接负电源接负电源-12V。VY=+2.7V解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通后，导通后， DB上加的是反向电压，上加的是反向电压，因而截止。因而截止。DA起钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAYV sin18itu t 14.3.5 14.3.5 应用举例应用举例 UZUZIZIZM IZ_+UIO 一种特殊的面接触型半导体硅二极

12、管。它在电路中一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻相配合能起稳定电压的作用。与适当数值的电阻相配合能起稳定电压的作用。 ZZ ZIUr例题：例题：U0+_UUZR稳压管的稳压作用稳压管的稳压作用当当UUZ时时,稳压管击穿稳压管击穿RUUIZZ此时此时选选R，使，使IZIZM14.5 14.5 晶体管晶体管14.5.1 14.5.1 基本结构基本结构14.5.2 14.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理14.5.3 14.5.3 特性曲线特性曲线14.5.4 14.5.4 主要参数主要参数结构结构平面型平面型 合金型合金型 NPN PNP14.5.1 14.5.

13、1 基本结构基本结构发射结集电结BNNP发射区基区 集电区ECNNPBECCEB发射结集电结BPPN发射区基区 集电区ECPPNBECCEB14.5.1 14.5.1 基本结构基本结构14.5.1 14.5.1 基本结构基本结构EEBRBRCICECAmAmAIBIERB+_EBBCE3DG6共发射极接法（1） IE = IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。符合基尔霍夫电流定律。（2） IE和和IC比比IB 大的多。大的多。（3）当）当IB = 0（将基极开路）时，（将基极开路）时， IE = ICEO， ICEO0.001mABECNNPEBRBECIEIBEICEICBOICIBBECNNP

14、EBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。是分析放大电路的依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线IC共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路EBmA AVUCEUBERBIBECV+常常数数 CE)(BEBUUfIIB(

15、 A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VOIB=020 A40 A60 A80 A100 A常常数数 B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区放大区O BCII_ BCII 53704051BC.II 400400605132BC .II ICBO A+EC AICEOIB=0+ICEO=IC|IB=0穿透电流穿透电流ICEO与与ICBO的关系：的关系：CEOB_CBOCBOB_CCBO_CBOCBO_CEOCBOCBOCEO0ICBOBCBOCBECE_III)I(II)I(1IIIIII|IIIIIIBICBO愈大，愈大，_愈高的管子，稳定

16、性愈差。因此，在选管子愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子时，要求时，要求ICBO尽可能小些，而尽可能小些，而_以不超过以不超过100100为宜。为宜。ICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区ICUCEO稳压管实物图稳压管实物图单个发光二极管实物单个发光二极管实物习习 题题第十四章第十四章 半导体器件半导体器件14.3.6 图图14.01的各电路图中，的各电路图中，E5V，ui10sintV，二极管正向压降忽略不计，分别画出输出电压二极管正向压降忽略不计，分别画出输出电压uo的波形。的波形。u ui iu ui iDRu uo oE(a)DRu uo oE(c)u ui i图图14.01

17、习习题题14.3.6的的图图第十四章第十四章 半导体器件半导体器件14.3.9 在图在图14.02中，试求下列几种情况下输出端电中，试求下列几种情况下输出端电位位VF及各元件中通过的电流：及各元件中通过的电流：（1）VA10V，VB0V；（2）VA6V，VB5.8V。设二极管的正向电阻为零，设二极管的正向电阻为零，反向电阻无穷大。反向电阻无穷大。V VA AV VB B1 1k k1 1k k9 9k kRD DA AV VF FD DB B图图14.02 习习题题14.3.9的的图图第十四章第十四章 半导体器件半导体器件14.4.4 有两个稳压管有两个稳压管DZ1和和DZ2，其稳定电压分别为，其稳定电压分别为5.5V和和8.5V，正向压降