chapter半导体器件东北大学解析实用

会计学1chapter半导体器件东北大学解析实用1.1.1半导体的导电特性

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，例如硅、锗、硒以及一些硫化物等都是半导体。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别为什么会具有这些导电特性？这是由半导体材料的原子结构和原子之间结合方式决定的。①纯净的半导体受到加热、光照时，导电能力显著增加，利用此特性可以做成热敏元件、光敏元件；②在纯净半导体中掺入微量的“杂质”元素后，导电能力大大增强，可成千上万倍地增长。1.1半导体的导电特性及PN结的形成第1页/共46页最常用的半导体材料：硅

Si(Silicon)

和锗

Ge(Germanium)

均为四价元素，原子最外层有4个价电子。一、本征半导体（纯净半导体）单晶硅(Si)的原子结构平面示意图SiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键价电子这种纯净的、结构完整的单晶半导体称为本征半导体。第2页/共46页本征半导体的导电性：SiSiSiSiSiSiSiSiSi在温度(T)一定时，载流子数量一定。当T↑时，载流子数量↑。(3)价电子依次填补空穴，表现为带正电的空穴在原子间移动，因此，空穴也是一种载流子。(2)在室温下受热激发时，(1)在绝对零度(T=0K)时，不导电，相当于绝缘体；产生电子空穴对，半导体中有两种载流子：电子和空穴它们同时参与导电，这就是半导体导电的重要特点，也是与金属在导电机理上的本质差别。自由电子空穴半导体的导电性能受温度影响很大。第3页/共46页SiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键二、杂质半导体：N型半导体和P型半导体掺入微量的五价元素：磷P(或锑)1.N型半导体:多数载流子为电子，少数载流子为空穴。在室温下就可以激发成自由电子施主原子第4页/共46页SiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键二、杂质半导体掺入微量的三价元素：硼B(或铝)2.P型半导体:受主原子空穴吸引邻近原子的价电子填充。多数载流子为空穴，少数载流子为电子。第5页/共46页1.1.2PN结的形成及其单向导电性一、PN结的形成多子的扩散运动内电场阻碍多子的扩散运动促进少子的漂移运动多子浓度差异P型半导体N型半导体

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变窄。

扩散越强，空间电荷区越宽。最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的空间电荷区，即PN结。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区第6页/共46页二、PN结的单向导电性(1)PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄

P接正、N接负

外电场IF

内电场被削弱，多子的扩散加强，最后形成较大的扩散电流IF

。

PN结加正向电压时，PN结变窄，有较大的正向扩散电流IF

，PN结呈现低电阻，即PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–第7页/共46页(2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+第8页/共46页PN结变宽(2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子浓度很低，形成很小的反向电流IR

。IR≈0P接负、N接正–+

PN结加反向电压时，PN结变宽，只有微弱的反向漂移电流IR

，PN结呈高电阻，即PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－综上所述，PN结具有单方向导电特性。第9页/共46页金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型一.基本结构阴极阳极

D按材料分：硅(Si)管和锗(Ge)管；按工艺分：点接触型和面接触型；符号：(Diode)阳极阴极管壳按用途分：整流管、稳压管、开关管等。PN型号：2AP15二极管C:N型Si材料极性A:N型GeB:P型GeD:P型Si类型P:普通管Z:整流管K:开关管W:稳压管序号例如2CZ10,2CW18等。(主要介绍：结构、特性、主要参数及应用)1.2

半导体二极管第10页/共46页半导体二极管实物图片发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负第11页/共46页半导体二极管实物图片IN4000系列有白色圆环标志的那一端是负极

第12页/共46页半导体二极管实物图片大功率金属封装的二极管通常在外壳上采用二极管图形符号来作为极性的标志第13页/共46页反向电流IR很小，在一定电压范围内保持常数。二.伏安特性硅管约0.5V锗管约0.1V反向击穿电压UB导通管压降当正向电压大于死区电压时，正向电流迅速增加，二极管处于导通状态。

当反向电压大于击穿电压时，二极管被击穿，造成永久性损坏。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.7V锗0.2~0.3VUI死区电压U0PN+–PN–+∴二极管具有单向导电特性第14页/共46页三.主要参数1.

最大整流电流

IOM指二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.

最高反向工作电压URM是保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压，一般是反向击穿电压UB的一半或三分之二。3.最大反向电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流愈小，说明管子的单向导电性愈好。IRM受温度的影响很大，温度升高，反向电流显著增加。硅管反向电流较小(几微安)，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。第15页/共46页

四.应用:

问题：如何判断二极管是导通还是截止？二极管正向压降:硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析方法：判断二极管两端电位V阳极，V阴极的高低。若V阳

>V阴

(正向偏置)，二极管导通若V阳

<V阴

(反向偏置)，二极管截止若忽略管压降，则称为理想二极管:

正向导通时，二极管相当于短路;

反向截止时，二极管相当于开路。利用其单向导电特性，广泛应用于整流、限幅与削波、钳位与隔离、检波、元件保护以及开关电路中。理想二极管:具有“开关特性”第16页/共46页判断二极管是导通还是截止？并计算

电压UAB(

二极管正向压降忽略不计)。忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V阳

=－6V，V阴

=－12V

∵V阳>V阴，∴二极管导通。若不是理想二极管，则二极管为Ge管时,UAB为－6.3Ｖ；二极管为Si管时,UAB为－6.7V。解：D6V12V3kBAUAB+–(a)第17页/共46页两个二极管的阴极接在一起(即共阴极电位)，此时阳极与阴极的电位差大者，优先导通。(b)

在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–解：∴D2优先导通电压UAB

=0V设B点为电位参考点，则电位V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12V阳极与阴极的电位差UD1=6V，UD2=12VD2导通后,V1阴

=0V,

D1承受反向电压，∴

D1截止。第18页/共46页ui>8V时，二极管导通，D可看作短路uo=8V

ui<8V时，二极管截止，D可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例2：ui18V二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––

在这里，

D

起限幅(或削波)作用。若D反向放置,uo

波形如何？

若R与D对调位置,

uo

波形又如何？第19页/共46页反向特性曲线很陡IZ2.伏安特性

稳压管正常工作时加反向电压

稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中实现稳压作用。IZIZM_+阴极阳极

DZ

1.符号：UZUZUIO–++–DZ

DZ

正向特性与二极管相同稳压管的正常工作条件：稳压管的工作电流不能超过IZM，使用时要加限流电阻DZIDz限流电阻R1.3稳压二极管第20页/共46页3.主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(5)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻(2)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(4)最大允许耗散功率

PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。UZIZIZIZMUIUZ第21页/共46页1.4

半导体三极管一.基本结构(1)NPN型符号：(2)PNP型(内容：结构、电流放大原理、特性、主要参数及应用)C集电极Collector

B基极BaseE发射极Emitter集电区NP基区发射区N集电结发射结EBCEBC符号：C集电极B基极E发射极集电区PN基区发射区P集电结发射结IEIE第22页/共46页（1）按导电类型分分为NPN

型和PNP型。硅三极管多为NPN型，锗三极管多为PNP型。（2）按材料分硅三极管和锗三极管。

（3）按用途分依工作频率：f

＞3MHz为高频；

f

＜3MHz为低频。依工作功率：P＞1W为大功率；

P＜0.5W为小功率；

P在0.5～1W为中功率。三极管分类:第23页/共46页

(a)塑封小功率三极管(b)金属封装低频大功率三极管★常见的三极管外形第24页/共46页(c)高频小功率三极管(d)低频小功率三极管3DG63DG123AX31★常见的三极管外形第25页/共46页★三极管的型号(2)用字母表示三极管的材料与类型。如A表示PNP型锗管，B表示NPN型锗管，

C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。(3)用字母表明管子的用途、功能。如X表示低频小功率管，G表示高频小功率管，

D表示低频大功率管，A表示高频大功率管。

三极管的型号一般由五部分组成,如3AX31A、3DG12B、3DD15D等。下面以3DG12B为例说明各部分的含义。(1)

用数字表示电极数目。“3”代表三极管。(4)

用数字表示三极管的序号。(5)

由字母组成,表示三极管的规格号。第26页/共46页基区：很薄，且掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：掺杂浓度次之这些结构特点是它具有电流放大作用的内在条件。第27页/共46页二.电流放大原理1.三极管处于放大状态的外部条件发射结正向偏置、集电结反向偏置(2)对PNP型三极管

发射结正偏VE>VB

集电结反偏VB>VC从电位的角度看：

(1)对NPN型三极管

发射结正偏VB>VE

集电结反偏VC>VB

即VC>VB>VE

集电极电位最高

即VE>VB>VC

发射极电位最高BECNNPEBRBECRCIEICIBBECPPNEBRBECRCIEICIB共射极放大电路第28页/共46页2.各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.010.701.502.303.103.950.010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

基极电流的微小变化IB能够引起较大的集电极电流变化IC,这就是三极管的电流放大作用。

BECNNPEBRBECRCIEICIB电流放大系数：第29页/共46页3.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基区空穴向发射区的扩散可忽略。

发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。扩散过来的电子看作基区的少子，漂移进入集电区而被集电极收集，形成ICE。

集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。第30页/共46页3.三极管内部载流子的运动规律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBEICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数通常定义为静态(直流)电流放大倍数。称为动态(交流)电流放大倍数。第31页/共46页发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极放大电路输入回路输出回路

测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++三.

特性曲线第32页/共46页1.

输入特性特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VOICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++工作在放大状态时发射结压降：

硅管：

UBE0.6~0.7V

锗管：UBE0.2~0.3V第33页/共46页2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O输出特性曲线通常分三个工作区：ICmAUCEIBECV+––+第34页/共46页2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区

在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。

在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。第35页/共46页IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB=0以下区域为截止区，有IC=ICEO

0

。

在截止区，发射结处于反向偏置(或正向偏置<死区电压)，集电结处于反向偏置。饱和区截止区（3）饱和区

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IB增加IC不再增加，IC≠IB，发射结处于正向偏置，集电结处于正向偏置。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。第36页/共46页四.

主要参数：1.电流放大系数，直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成共发射极电路时，

表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数是设计电路、选用晶体管的依据。注意：

和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的

值在20~200之间。

3个一般参数；3个极限参数。第37页/共46页例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得第38页/共46页2.集-基极反向饱和电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOICBOA+–EC3.集-射极穿透电流ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。第39页/共46页4.

集电极最大允许电流ICM5.

集-射极反向击穿电压UCEO(BR)

集电极电流IC超过一定值时，其值要下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。

当集—射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压UCEO(BR)

。6.

集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。