第七章 半导体器件

电工电子技术电子技术的基本要求234电路设计电路计算电路误差重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，目的在于应用，不要过分追究其内部机理。用工程观点分析问题，根据实际情况，用合理的近似、简便的分析方法设计电路。电路分析计算，要满足技术指标，不要追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、估值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法1元器件应用第7章半导体器件7.2PN结及其单向导电性7.3二极管7.4稳压二极管7.1半导体的主要特性7.5三极管7.6光电器件：本章要求123分析含有二极管的电路；重点判断三极管的工作状态。重、难点掌握理解PN结的单向导电性；重、难点

三极管的电流分配和电流放大作用；重、难点掌握二极管、稳压管和三极管的基本构造；掌握工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；半导体的基础知识主要内容：重难点：7.1半导体的主要特性半导体的导电特性；本征半导体与杂质；半导体的导电机理杂质半导体的导电机理7.1半导体的主要特性半导体

Semiconductor1.导体：低价元素，如金属元素，银1.6×10-8Ω·m。2.绝缘体：高价元素或高分子物质，如惰性气体，电阻率＞108Ω·m。3.半导体：导电性能具有可控性，如热敏性（热敏电阻）、光敏性（光敏电阻）、掺杂性（晶体二极管等）。一种常温下导电性能介于导体(Conductor)与绝缘体(Insulator)之间的材料。7.1半导体的主要特性1.半导体材料用的最多的是锗和硅。硅的原子结构图(如左图）；2.最外层有四个价电子，形成共价键结构；一种完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，如硅和锗。本征半导体

Si

Si

Si

Si价电子共价键7.1半导体的主要特性1.最外层有四个价电子，形成共价键结构。2.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，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少(即载流子)，所以本征半导体的导电能力很弱，相当于绝缘体。一种完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，如硅和锗。本征半导体

Si

Si

Si

Si价电子共价键7.1半导体的主要特性3.在热或光激发下，有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。空穴束缚电子自由电子

Si

Si

Si

Si4.在其它力的作用下，空穴吸引邻近的价电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。5.自由电子和空穴的运动形成电流。7.1半导体的主要特性所以，当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：(1)自由电子作定向运动→电子电流(2)价电子递补空穴→空穴电流

自由电子和空穴都称为载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。空穴束缚电子自由电子

Si

Si

Si

Si7.1半导体的主要特性本征半导体本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高↑载流子的浓度越高↑本征半导体的导电能力越强。所以，温度对半导体器件性能影响很大。7.1半导体的主要特性在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，使半导体的导电性发生显著变化。杂质半导体1.N型半导体(Negative)：在硅或锗晶体(四价)中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。多数载流子(多子)：自由电子，取决于掺杂浓度。少数载流子(少子)：空穴，取决于温度。多余电子磷原子失去电子变成正离子

Si

Si

Si

Sip+在常温下即可变为自由电子7.1半导体的主要特性2.P型半导体(Positive)：在硅或锗晶体(四价)中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。多数载流子(多子)：空穴，取决于掺杂浓度。少数载流子(少子)：自由电子，取决于温度。空穴硼原子得到电子变成负离子

Si

Si

Si

SiB–在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，使半导体的导电性发生显著变化。杂质半导体7.1半导体的主要特性杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体空穴自由电子自由电子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。7.1半导体的主要特性小结

1、半导体的导电具有可控性，是制作电子器件的主要材料；2、本征半导体的导电能力很弱，主要由材料的本征激发决定；3、杂质半导体：P型和N型。思考P型和N型半导体对外显电性吗？PN结及其单向导电性主要内容：重难点：7.2PN结及其单向导电性PN结的形成；PN结的单向导电性PN结的单向导电性7.2PN结及其单向导电性思考：当把P型半导体和N型半导体按制作工艺做在一起，会发生什么神奇现象呢？

用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。7.2PN结及其单向导电性一、PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差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）。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度（宽度）固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区空穴自由电子7.2PN结及其单向导电性二、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)

IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。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。外电场IF内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–扩散运动增强，形成较大的正向电流空间电荷区变窄

7.2PN结及其单向导电性

2.PN结加反向电压（反向偏置）(P接负、N接正)

PN结变宽外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR–+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。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。少数载流子越过PN结形成很小的反向电流小结

1、PN结的形成；

2、PN结的单向导电性：当PN结加正向电压，PN结处于导通状态；当PN结加反向电压，PN结处于截止状态。思考PN结形成机理？7.2PN结及其单向导电性二极管7.3二极管1、二极管的结构点接触型结面积小，结电容小，正向电流也比较小，主要用于检波和变频等高频电路中。面接触型结面积大，正向电流大，结电容大，主要用于工频大电流的整流电路中。平面型主要用于集成电路的制作，工艺中的PN结的面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。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7.3二极管2、二极管的符号阴极阳极(

d

)

符号D注意：极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。职业素养7.3二极管7.3二极管7.3二极管二、二极管的伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。

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。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数7.3二极管三、二极管主要参数最大整流电流IOM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.反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大，硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。7.3二极管四、二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止分析方法将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。特别说明若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析结论若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止7.3二极管【解】

图中(a)的R和C构成一微分电路,设uc(0)=0。当输入电压ui

如图(b)中所示时,试画出输出电压uo

的波形。

例题参考点DRCuoui++––uR+–RL在0~t1

期间,电容器很快被充电,其上电压为U,极性如图中所示。这时uo

为零,uR为一正尖脉冲。在t1~t2

期间,

ui在t1

瞬间由U下降到零,在t2瞬间又由零上升到U。在

t1瞬间,电容器经R和RL,分两路放电,二极管D导通，uR

和uo

均为负尖脉冲。在t2

瞬间,ui只经过R对电容器充电,uR为一正尖脉冲;这时二极管截止,uo为零。输出电压

的波形如图。7.3二极管例题

电路如图，求：UAB?【解】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

=－6VV阴

=－18VV阳>V阴二极管导通

若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V

否则，UAB为－6.3Ｖ或－6.7V在这里，二极管起钳位作用。D6V18V3k

BAUAB+–+_+_7.3二极管【解】已知：,二极管是理想的，试画出uo

波形?例题ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。参考点VD8VRuoui++––二极管的用途ui18V二极管阴极电位为8V7.3二极管

已知在图中，输入电位VA=+3V，VB=0V，电阻R接负电源–12V。求输出端电位VY。例题DA

–12VYVAVBDBR【解】

因为VA

高于VB

，所以DA优先导通。如果二极管的正向压降是0.3V，则VY=+2.7V。当DA导通后，DB

因反偏而截止。

在这里，DA起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7V。7.3二极管小结1、二极管加正向电压，那么二极管就处于正向导通状态；二极管加反向电压，那么二极管就处于反向截止状态；2、如果二极管外加的电压大于它的反向击穿电压，二极管就会被击穿而失去它的单向导电性；3、二极管的反向电流会受温度的影响，温度越高，反向电流就越大。求：UABBD16V12V3k

AD2UAB+–++__一节一练练习题稳压二极管主要内容：重难点：7.4稳压二极管稳压二极管工作原理；稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数7.4稳压二极管1.符号UZIZIZM

UZ

IZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO稳压二极管的符号和特性7.4稳压二极管3.主要参数(1)

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)

环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)(4)

、(5)

PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳定电压UZ电压温度系数

ｕ动态电阻最大允许耗散功率稳定电流IZ最大稳定电压IZM7.4稳压二极管IZDZ+20VR=1.6k

UZ=12V

IZM=18mAIZIZ<IZM

，电阻值合适。图中通过稳压管的电流IZ

等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？例题【解】7.4稳压二极管小结

1、稳压二极管工作原理；

2、稳压二极管主要参数;稳压二极管的应用。思考稳压二极管为什么工作在反向击穿区？三极管主要内容：重难点：7.5三极管三极管的电流分配与放大原理；晶体管的特性与参数三极管的结构、符号；三极管的电流分配与放大原理；晶体管的特性与参数7.5三极管低频小功率大功率贴片光敏高频7.5三极管N型硅二氧化硅保护膜BECN型硅P型硅(a)平面型N型锗ECB铟球铟球PP(b)合金型一、基本结构7.5三极管一、基本结构基极发射极集电极PNP型B和E间：发射结，B和C间：集电结BECIBIEICBECIBIEICNPN型符号PNP型符号基区集电区发射区基区发射区集电区NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPPN7.5三极管一、基本结构结构特点基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极集电区：面积最大7.5三极管二、电流分配和放大原理1、三极管放大的外部条件发射结正偏、集电结反偏

PNP

发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

从电位的角度看：BECNNPUBBRBUCCRC++__7.5三极管2.各电极电流关系及电流放大作用(1)晶体管电流放大的实验线路发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输出回路ICUBBmA

AVUCEUBERBIBUCCV++––––++输入回路二、电流分配和放大原理7.5三极管

(2)各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.051）三电极电流关系IE=IB+IC结论二、电流分配和放大原理符合基尔霍夫定律2）IC

IB

，IC

IE

从第三列和第四列的数据可得7.5三极管把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化。

这就是晶体管的电流放大作用。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化

IB可以引起集电极电流较大的变化

IC。3)

当IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中ICEO<0.001mA=1A。

4)要使晶体管起放大作用，发射结正向偏置；集电结反向偏置。7.5三极管放大作用时晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性。NPN型晶体管(3D)+UBE

CTEB

IEIBIC+UCE

+UBE

IBIEIC

CTEB

+UCE

PNP型晶体管(3A)对于

NPN型晶体管应满足：

UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于

PNP型晶体管应满足：

UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE7.5三极管(3)晶体管内部载流子运动规律BECNNPUBBRBUCCIEIBEICEICBO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。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。++––二、电流分配和放大原理IC=ICE+ICBO

ICEIB=IBE-ICBO

IBE7.5三极管IC=ICE+ICBO

ICEIB=IBE-ICBO

IBE集－射极穿透电流,温度

ICEO

(常用公式)若IB=0,则

IC

ICE0

ICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数7.5三极管有两个晶体管分别接在放大电路中，测得三个管脚的电位（对“地”）如表：（1）判别：管子的三个电极（2）类型（3）材料管脚电位/V电极12312343.49-6-3-2.7

思考题7.5三极管重点：

1、三极管放大的外部条件就是发射结正偏，集电结反偏；

2、各个电极电流的关系以及电流放大作用：

IE=IB+IC,

IC=βIB。已知三极管三个电极的对地电压，试判断它们的极性、材料并确定三个电极。思考T①6V②1V③1.2V7.5三极管半导体三极管的特性和参数三、半导体三极管的特性和参数1、特性曲线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，是分析放大电路的依据。目的：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路7.5三极管（1）输入特性曲线正常工作时发射结电压：NPN型硅管UBE

≈

0.6~0.7VPNP型锗管UBE≈-0.2~-0.3V对硅管而言，当UCE≥1V，集电结已反向偏置，基区又很薄，可以把从发射区扩散到基区的大部分电子拉入集电区，此后UCE对IB不再有明显影响。特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。IB(

A)UBE(V)204060800.60.8UCE1VO7.5三极管（2）输出特性曲线在放大区有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。（1）放大区输出特性曲线通常分三个工作区：IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区对NPN型管而言，应使UBE

>0，UBC

<0，此时，UCE

>UBE7.5三极管IB<0

以下区域为截止区，有IC

≈0，UCE≈UCC。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。对NPN，UBE

≤0，UBC

<0IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区当UCE≤UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，

IB

≥IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏，此时UCE0V，IC

UCC/RC，深度饱和时，硅管UCES≈0.3V，锗管UCES

≈0.1V。（3）饱和区（2）截止区7.5三极管晶体管的三种工作状态如下图所示+

UBE>0

ICIB+UCE

(a)放大

UBC<0+IC

0IB=0+UCE

UCC

(b)截止

UBC<0++UBE≤

0

+UBE>

0

IB+UCE

0

(c)饱和

UBC>0+7.5三极管在模拟电路中，晶体管是工作在放大状态；在数字电路中，晶体管或者工作在截止或者饱和状态。注意

管型

工作状态

饱和

放大

截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V开始截止可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.3

0.5

0.1

≤

0

0.1晶体管结电压的典型值7.5三极管

如图所示的电路中,UCC=12V，

RC=3K

，RB=20K

，=100，当输入电压Ui分

别为3V,1V和-1V时,试问晶体管处于何种工作状态?例题[解]晶体管饱和时集电极电流近似为晶体管刚饱和时的基极电流为(1)当

时晶体管已处于深度饱和状态。RBUCCRC+–IBICui+–7.5三极管

如图所示的电路中,UCC=12V，

RC=3K

，RB=20K

，=100，当输入电压Ui分

别为3V,1V和-1V时,试问晶体管处于何种工作状态?例题[解](2)当

时晶体管处于放大状态。(3)当

时晶体管可靠截止。RBUCCRC+–IBICui+–7.5三极管2、主要参数

直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，（1）电流放大系数

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

和的含义不同，但在理想的输出特性情况下，两者数值接近。三、半导体三极管的特性和参数7.5三极管

如图所示的3DG1001D晶体管的输出特性曲线上：在UCE=6V时，在Q1

点IB=40A,IC=1.5mA点处的；在Q2

点IB=60A,IC=2.3mA，两点计算

。例题IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2[解]在以后的计算中，一般作近似处理：

=。在Q1点，有由Q1和Q2点，得7.5三极管（2）极间反向电流集-基极反向截止电流ICBO

、集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOICBO

A+–EC

AICEOIB=0+–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↑→ICBO↑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。7.5三极管