4常用半导体分立器件课件

04-6月-231第四章常用半导体分立器件

Diode,Transistor半导体的基本知识与PN结半导体二极管及其应用电路双极型三极管绝缘栅型场效应管04-6月-232

对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。

学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。

对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC

的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。学习要求：304-6月-234.1半导体的基本知识与PN结一、半导体的基本知识体积小、重量轻、寿命长、能耗低。1.半导体器件的特点2.物质的分类（按其导电能力的大小）导体如：金、银、铜、锡,电阻率,ρ<10-4cm

绝缘体如：橡胶、陶瓷、塑料、木制品等

ρ1012cm半导体如：锗、硅、砷化镓，一些硫化物和氧化物（导电性能介于导体与绝缘体之间，受温度、光照和掺杂程度影响极大。）10-3cm<

ρ<109cm

半导体（根据纯度的不同）可以分为本征半导体,杂质半导体04-6月-234

半导体器件是构成电子线路的基本元件，所用的材料是经过特殊加工且性能可控的半导体材料。在大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）中主要使用硅（Si）和砷化镓（GaAs）材料。第一代半导体材料以Si，Ge为代表；第二代半导体以GaAs,InP为代表；，第三代半导体：III族氮化物半导体材料（GaN）硅谷、集成电路Siliconvalley

Integratedcircuit

电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。04-6月-235+4+4+4+4+4+4+4+4+4

纯净的、具有晶体结构的半导体。3.本征半导体

284+14Si28184+32Ge4个价电子

将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。晶体结构共价键

价电子：最外层原子轨道上的电子。+4惯性核4.1半导体的基本知识与PN结04-6月-236共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子(BondedElectron)，束缚电子很难脱离共价键成为自由电子(Free～)，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

在绝对零度（即T＝0）和无外界激发时，硅和锗晶体中由于没有传导电流的导电粒子存在，所以不能导电。+4+4+4+4+4+4+4+4+404-6月-237本征激发－在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴(Hole)。因热运动产生自由电子空穴对的现象称本征激发（Excitation,又称热激发）。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴4.1半导体的基本知识与PN结04-6月-238两种载流子:能够导电的电荷称为载流子(currentorchargecarrier)。本征半导体中有数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。空穴导电的实质是价电子依次填补空位的运动。+4+4+4+4+4+4+4+4+404-6月-239本征浓度复合—自由电子和空穴在热运动中相遇而释放能量，电子空穴成对消失。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。注意：(1)在常温下，本征半导体中载流子浓度:Si：ni=pi=1.5×1010/cm3，Ge：ni=pi=2.5×1013/cm3,与原子密度（约为1022/cm3量级）相比，是微不足道的（1/3.3×1012

），故本征半导体的导电性很弱，不能直接用于制造半导体器件。(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。4.1半导体的基本知识与PN结04-6月-2310半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强04-6月-2311

4.

杂质半导体(Impurity~)在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。即使得自由电子和空穴的数量差别极大，且其导电性能由杂质的类型和掺杂的数量支配，而不再取决于温度。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（p-type~orP-semiconductor

空穴半导体）。4.1半导体的基本知识与PN结04-6月-2312N型半导体—

掺入5价元素如砷（As）、磷（P）

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

在N

型半导体中自由电子是多数载流子（多子,majoritycarrier），空穴是少数载流子（少子,minority～）。04-6月-2313

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。P型半导体—掺入3价原子如硼（B）、镓（Ga）4.1半导体的基本知识与PN结04-6月-2314杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体04-6月-2315二、PN结及其单向导电性1.半导体中的电流(1)扩散电流(diffusioncurrent)若半导体内载流子浓度分布不均匀（又称浓度差），因浓度差引起载流子的移动产生的电流称扩散电流。(2)漂移电流(drift～）在电场的作用下，因电场力引起载流子的移动产生的电流称漂移电流。1)基本概念4.1半导体的基本知识与PN结04-6月-2316

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体。（2）PN结形成的物理过程

在两种半导体交界面，离子薄层形成的空间电荷区（space－chargeregion）称为PN结。在空间电荷区，由于缺少载流子所以也称耗尽层（depletionlayer)。浓度差多子的扩散运动空间电荷区内电场

促使少子漂移

阻止多子扩散动态平衡

PN结04-6月-23171）PN结加正向电压时2.PN结的单向导电性*外加的正向电压削弱了内电场。*PN结变薄，扩散电流加大（正向电流较大，，正向电阻较小），漂移电流变小，从而产生正向电流(mA)。*PN结呈现低阻性，PN结处于导通状态。

PN结加上正向电压、正向偏置的意思就是：P区加正、N区加负电压。4.1半导体的基本知识与PN结04-6月-23182）PN结加反向电压——P区加负、N区加正电压半导体的基本知识与PN结*外加的反向电压加强了内电场。*阻挡层增强，PN结变宽，阻碍多子扩散运动。*少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流。*PN结呈现高阻性，PN结处于截止状态。

温度一定时，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，几乎与所加反向电压的无关，也称为反向饱和电流(IS)。04-6月-2319

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。PN结的单向导电性

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。结论：PN结具有单向导电性。4.1半导体的基本知识与PN结2004-6月-234.2半导体二极管及其应用电路

将PN结加上相应的电极引线和封装，就成为半导体二极管。与P区相连的电极称为阳极（用A表示；与N区相连的电极称为阴极（用K表示）一、半导体二极管+−iDuD1.电路符号A阳极K阴极04-6月-23213）平面型二极管2）面接触型二极管1）点接触型二极管结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。PN结面积小，结电容小，正向电流小，用于检波和变频等高频路。

用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路。半导体二极管及其应用电路2.二极管分类(结构)4.2半导体二极管及其应用电路04-6月-2322604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V反向特性死区电压加正向电压，且u>>

VT时,VT称为死区电压。硅管：VT≈0.5V，锗管：VT≈0.1V。导通时的正向压降硅管：0.6~0.7V，锗管：0.2~0.3V。正向特性1)正向特性2)反向特性当u＜0时，i=−Is（反向饱和电流，很小，几乎为零）。+−iDuD3.

二极管伏安特性小功率硅管：＜1A小功率锗管：10~100A04-6月-2323

当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。3）反向击穿特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V反向特性击穿电压U(BR)4.2半导体二极管及其应用电路04-6月-2324二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。04-6月-23254.

主要参数（教材P114）

2)最高反向工作电压UDRM

保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。1)最大整流电流IFM

二极管长时间使用时允许流过的最大正向平均电流。3)最大反向电流IRM

二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。半导体二极管及其应用电路

用于描述二极管的导电特性，是选择和使用二极管的依据。4.2半导体二极管及其应用电路04-6月-23265.二极管的电路模型

二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的模型分析法。oiDuD

二极管导通后，管压降是恒定值。硅管：uD＝0.7V，锗管：uD＝0.3V。相当于一理想开关。2.恒压降模型1.理想模型+−iDuDAK

正向偏置时，二极管正向导通，管压降vD＝0，相当于短路；反向偏置时，二极管反向截止，电流iD＝0，相当于开路。+−iDuD04-6月-2327二、二极管应用电路

在电子技术中二极管电路得到广泛应用。基本电路有限幅电路、整流电路、钳位电路、开关电路等。1.判断二极管在电路中的工作状态常用的方法是：

2)只含一个二极管D时：先假设二极管断开，然后求得二极管阳极与阴极之间将承受的电压U1）由于二极管的特性为非线性，通常用比较二极管2个电极的电位高低来确定其工作状态。U>导通电压，二极管正向偏置，导通，D两端的实际压降为导通压降（理想时取零）；U<导通电压，二极管反向偏置，截止；然后画等效电路分析。导通截止4.2半导体二极管及其应用电路04-6月-23283）含两个二极管时：一般可以先设一个为截止，按方法2）判断另一个；然后求被设为截止的二极管阳极阴极间电压，若大于零，则说明所设错误。4）如果两个以上的二极管串联：则它们同时导通或截止。5）如果两个以上的二极管并联：a）共阳极时，阴极电位低的优先导通；b）共阴极时阳极电位高的优先导通。04-6月-2329电路如图，二极管性能理想，求：UabV阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴

二极管导通，或UAK>0;由于二极管理想，二极管可看作短路，Uab=－6V否则，Uab低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例4.2.1：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。

在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kbaUab+–4.2半导体二极管及其应用电路04-6月-2330两个二极管的阴极接在一起取b点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，Uab

=0V例4.2.2:D1承受反向电压为－6V流过

D2

的电流为图中二极管理想求：UabbD16V12V3kaD2Uab+–04-6月-23312.整流电路当us>0，D导通，uo=us；半波整流电路当us<0，D截止，uo=0。设二极管理想，根据us波形，画出uo波形？4.2半导体二极管及其应用电路+–04-6月-23323.限幅电路

二极管D1、D2用恒压源模型，UON=0.7V。当uS>UON时，D1导通，D2截止，uo=0.7V；当uS<−UON时，D2导通，D1截止，uo=−0.7V；当|uS|<UON时，D1、D2均截止，uo=us。输出电压被限幅在0.7V，称双向限幅电路。+–04-6月-2333例4.2.3在图中，输入电位VA=+3V，VB=0V，电阻R接负电源–12V。设二极管的正向压降是0.3V,求输出端电位VO。

因为VA高于VB

，所以D1优先导通。二极管的正向压降是0.3V，则VO=+2.7V。当D1导通后,D2因反偏而截止。D1起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7V。解：D1−12VVoD2VAVB4.2半导体二极管及其应用电路04-6月-2334三、特殊二极管

一种特殊的面接触型半导体硅二极管，工作于反向击穿区。I/mAOUZIZIZM+正向+反向UZIZU/V1.稳压管

稳压管反向击穿后，电流虽在很大范围内变化，但其两端的电压变化很小。——稳压特性，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。半导体二极管及其应用电路1）符号及特性04-6月-23352）稳压管的主要参数：1.稳定电压UZ

4.稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。3.动态电阻rZ2.电压温度系数U（%/℃）5.最大允许耗散功率PZM

稳压值受温度变化影响的系数。4.2半导体二极管及其应用电路04-6月-2336

电阻的作用:起限流作用，以保护稳压管；

当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。3）稳压二极管应用04-6月-2337正常稳压时UO=UZ

稳压条件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax不加R可以吗？参见书上P116-117当Ui为正弦波，且幅值大于UZ

，UO的波形是怎样的？4.2半导体二极管及其应用电路04-6月-23382.发光二极管ak

当电流流过时，发光二极管将发出光来，光的颜色由二极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几mA至几十mA之间。另一重要作用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号。发光二极管的符号04-6月-23393.光电二极管akakipup+（a）光电二极管的符号（b）光电二极管的等效电路

光电二极管可将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与光照强度成正比。4.2半导体二极管及其应用电路4004-6月-234.3双极型三极管三极管的结构和工作原理三极管的特性曲线和主要参数04-6月-2341一、半导体三极管的结构和工作原理三极管的结构与符号电流分配与放大作用4.3三极管结构及原理04-6月-2342我国：－1957年，通过还原氧化锗，锗单晶，并制作出锗晶体管。－1959年，硅（Si）单晶。

半导体三极管中由于有电子和空穴两种载流参与导电，也称双极型晶体管（BJT），简称晶体管或三极管。按频率可分为：高频管，低频管；按材料可分为：硅管，锗管；按结构可分为：NPN型和PNP型。－1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管（锗管)，从而开创了人类的硅文明时代。－次年，制作出第一只Si管04-6月-23431.三极管的结构与符号N型硅BECN型硅P型硅(a)

平面型二氧化硅保护膜铟球N型锗ECBPP(b)合金型铟球

半导体三极管，简称晶体管或三极管，由于有电子和空穴两种载流子参与导电，也称双极型晶体管（bipolarjunctiontransistor,BJT）；是由2个PN结背靠背构成的：具有电流放大作用。4.3三极管结构及原理04-6月-2344

三极管按结构可分为：NPN型和PNP型。我们主要以NPN型三极管为例来学习，一切方法和结论都可以用于PNP型。集电极，用C或c表示（Collector）集电区，掺杂浓度低基极，用B或b表示（Base）基区，薄发射极，用E或e表示（Emitter）发射区，掺杂浓度高发射结(Je)集电结(Jc)，面积比发射结大04-6月-2345

符号中，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。becbecNPN型与PNP型三极管的工作原理相似，只是使用时所加电源的极性不同。4.3三极管结构及原理04-6月-2346mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100

用实验说明三极管的电流分配与放大作用。

实验电路采用共发射极接法，NPN型管。

为了使三极管具有放大作用，电源EB

和EC

的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。

改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流

IE

都发生变化。2.电流分配与放大作用04-6月-2347IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05三极管电流测量数据结论：（2）

IB

对IC有控制作用。IB的改变控制IC变化，体现了三极管的电流控制作用。直流电流放大系数：符合KCL，且

IC≈IE（1）交流电流放大系数：工程估算中取：，有4.3三极管结构及原理04-6月-2348ICIEIBBUBE+UCE+ECICIEIBBUBE+UCE+ECNPN型三极管应满足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VEPNP

型三极管应满足:

UBE<0UBC>0即

VC<VB<VE

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，实现放大的外部条件：

发射结加正向电压，集电结加反向电压。PNNPPN04-6月-2349二、三极管的特性曲线和重要参数三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的其它形式04-6月-23501)输入特性曲线++−−iBiCuBEuCEiB

和uBE之间的关系与二极管相似。

三极管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生iB。1.三极管的特性曲线各电极u,i之间的关系曲线

导通后，硅管UBE=0.7V，锗管UBE=0.3V。4.3三极管结构及原理04-6月-23512)输出特性曲线（1）放大区

NPN型管:VC

>VB>

VE

++−−iBiCuBEuCEIC＝βIB（2）截止区对应IB=0

以下的区域。

三极管要处于截止状态：发射结和集电结均处于反向偏置。为了使三极管可靠截止，常使UBE

0，此时,IC

0。

PNP型管:VC

<VB<VE

04-6月-2352（3）饱和区

三极管处于饱和状态：发射结和集电结均处于正向偏置状态。在饱和区，IC

和IB不成正比:iC<βiB++−−iBiCuBEuCE

当三极管饱和时，UCE

0，C-E间如同一个开关的接通；

当三极管截止时，IC

0，C-E之间如同一个开关的断开；可见，三极管除了有放大作用外，还有开关作用。4.3三极管结构及原理04-6月-2353

管型

工作状态

饱和

放大

截止UBE/VUCE/V

UBE/V

UBE/V

开始截止

可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)0.7

0.30.30.10.6~0.70.2~0.30.5

0.1

0

0.1三极管结电压的典型值++−−iBiCuBEuCE04-6月-2354例4.3.1

在放大电路中测得4个三极管的各管脚对“地”电位如图所示。试判断各三极管的类型（NPN型还是PNP型，是硅管或锗管），并确定e、b、c三个电极。4.3三极管结构及原理04-6月-2355分析：1）工作于放大状态的三极管，发射结应正偏，集电结应反偏，因而NPN型有VC>VB>VE，PNP型有VC<VB<VE。可见基极电位总是居中，据此可确定基极。2）硅管|UBE|=0.6~0.8V，锗管|UBE|=0.2~0.4V，则与基极电位相差此值的电极为发射极，并可判断是硅管还是锗管。3）余下一电极为集电极。4）集电极电位为最高的是NPN型管，集电极电位为最低的是PNP型管。04-6月-2356（c）PNP型硅管，①-集电极，②-基极，③-发射极（a）NPN型硅管，①-发射极，②-基极，③-集电极（d）NPN型锗管，①-基极，②-集电极，③-发射极（b）PNP型锗管，①-集电极，②-基极，③-发射极4.3三极管结构及原理04-6月-2357例4.3.2

测得电路中三极管3个电极的电位如图所示。问哪些管子工作于放大状态，哪些处于截止、饱和、倒置状态，哪些已损坏？

（a）（b）（c）（d）

（e）（f）（g）（h）04-6月-2358

（a）（b）（c）（