第14章 半导体器件课件

第14章半导体器件14.1半导体的导电性14.2PN结及其单向导电性14.3二极管14.4稳压二极管14.5双极型晶体管14.6光电器件第14章半导体器件掌握二极管的单向导电性及应用；掌握理想二极管、稳压二极管的伏安特性及应用；熟练掌握三极管的电流放大作用和开关作用，以及三极管三个工作区域的判定。重点内容第14章半导体器件第14章半导体器件半导体器件是电子技术的重要组成部分。半导体器件的发展：分立半导体器件→小规模集成电路→中规模集成电路→大规模和超大规模集成电路。最常用的半导体器件：半导体二极管、半导体三极管。半导体二极管和三极管的结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和分析电子电路必不可少的基础。第14章半导体器件第14章半导体器件14.1.1本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子Ge锗原子§14.1半导体的导电特性28184+32+14284第14章半导体器件硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子完全纯净的、晶格完整的半导体，称为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱。第14章半导体器件空穴和自由电子的形成共价键共用电子对自由电子空穴SiSiSiSi因此，当在半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流：电子电流：自由电子做定向运动所形成的电流。空穴电流：邻近价电子递补空穴形成的电流。（注意：价电子仍被原子核所束缚，不是自由电子。）空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动。第14章半导体器件本征半导体小结在半导体中，同时存在电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属导电原理上的本质差别。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。温度对半导体性能的影响很大，温度愈高，载流子的数目就愈多，导电性能也就愈好。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断复合，在一定温度下，载流子的产生与复合达到动态的平衡，于是半导体中载流子的数目便维持一定数目。本征半导体中两种载流子的数目很少，导电能力是很弱的，但是如果在其中掺入某些微量的杂质，就会使导电性能大大增强。第14章半导体器件14.1.2N型半导体和P型半导体N型半导体：又称为电子半导体，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。P型半导体：又称为空穴半导体，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。●

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。第14章半导体器件☆N型半导体多余电子磷离子硅原子+N型硅表示SiPSiSi硅或锗+少量磷

N型半导体+第14章半导体器件硼离子P型硅表示SiSiSiB硅原子硅或锗+少量硼

P型半导体☆P型半导体-空穴第14章半导体器件杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体第14章半导体器件14.2.1PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。§14.2PN结及其单向导电性第14章半导体器件P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动规律第14章半导体器件P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动PN结处载流子的运动规律扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，使内电场增强。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。第14章半导体器件扩散运动和漂移运动是一对相反的运动过程，最终二者会达到动态的平衡，相当于空间电荷区没有电荷的运动，则空间电荷区的厚度将不再发生改变。PN结处载流子的运动规律第14章半导体器件14.2.2PN结的单向导电性PN结加正向电压，即正向偏置：

PN结加反向电压，即反向偏置：P区加正电压、N区加负电压。P区加负电压、N区加正电压。第14章半导体器件PN结正向偏置——呈低阻导通状态－－－－++++外电场减弱内电场，使扩散加强，扩散飘移，形成较大的正向/扩散电流。空间电荷区变薄PN+_正向电流第14章半导体器件PN结反向偏置——呈高阻截止状态－－－－++++空间电荷区变厚NP+_++++－－－－外电场加强内电场，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小，

A级。第14章半导体器件14.3.1基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PN阳极阴极§14.3二极管PN符号+—D二极管1N4148第14章半导体器件14.3.1基本结构☆按结构分类：有点接触型、面接触型和平面型三类。点接触型金锑合金面接触型N型硅

阳极引线阴极引线PN结底座铝合金小球引线触丝N型锗外壳小功率高频大功率低频第14章半导体器件按材料分类：硅管（一般为面接触型）和锗管（一般为点接触型）。按用途分类：普通二极管、整流二极管和开关二极管。14.3.1基本结构第14章半导体器件★二极管的几种外形14.3.1基本结构第14章半导体器件14.3.2伏安特性ui导通压降:硅管0.6~0.8V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)

死区电压：（开启电压）硅管0.5V

锗管0.1VuiE+-反向饱和电流：很小，

A级反向击穿第14章半导体器件14.3.3主要参数（1）最大整流电流I0M

二极管长时间使用时，所允许通过的最大正向平均电流。（2）反向工作峰值电压URWMIRM一般取反向击穿电压的一半或三分之二。（3）反向峰值电流

二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。第14章半导体器件二极管的应用二极管的应用是利用它的单向导电性，主要应用于整流、检波、限幅、保护以及在数字电路中作为开关元件等。理想二极管：正向压降为0，反向电阻为无穷大。第14章半导体器件例1：二极管半波整流RLuiuOuiuott第14章半导体器件例2：二极管的检波作用(设RC时间常数很小）RRLuiuRuotttuiuRuoCt1t2U第14章半导体器件例3:

电路如图所示，求输出端Y的电位VY。设二极管导通时的压降为0.3V。VY=+2.7V解：DA优先导通，DA导通后，DB上加的是反向电压，因而截止。DA起钳位作用，DB起隔离作用。Y-12VAB+3V0VDBDAR第14章半导体器件二极管应用举例例4:

试判断图中两个理想二极管的工作状态，并求出二极管中的电流。12VAB3kΩ6VD2D1ID2ID1+-+-解：第14章半导体器件§14.4稳压二极管稳压二极管符号DZ☆稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。☆稳压二极管在电路中与适当阻值的电阻配合后起稳定电压的作用。☆稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ

在Izmax和Izmin之间时,其两端电压近似为常数。第14章半导体器件§14.4稳压二极管IZmaxuiUZIZ稳压二极管特性曲线IZmin正向同二极管稳定电流稳定电压—++—第14章半导体器件稳压二极管的主要参数

正常工作时管子两端的电压。

一般稳压值高于6V的为正温度系数，低于6V的为负温度系数，6V左右的稳压管受温度的影响较小。

稳压管的稳定电流是一个参考值,一般给出最大稳定电流（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数（3）稳定电流IZIZM。（4）动态电阻与最大允许耗散功率rZPZM第14章半导体器件稳压二极管的应用举例RLuiuORDZiIziLUZ稳压二极管的技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k

，输入电压ui=12V，限流电阻R=200。若负载电阻变化范围为1.5k~4k

，是否还能稳压？第14章半导体器件ui=12VUZ=10VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5mAi=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10mA

iZ=i-iL=10-5=5mA若RL=1.5k,则iL=10/1.5=6.7mA,iZ=10-6.7=3.3mA若RL=4k,则iL=10/4=2.5mA,iZ=10-2.5=7.5mA负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用RLuiuORDZiiziLUZ第14章半导体器件几种常见的三极管实物图(d)功率三极管(e)贴片三极管§14.5双极型晶体管（三极管）(a)普通塑封三极管(b)金属封装(c)金属封装大功率三极管小功率三极管第14章半导体器件14.5.1基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型第14章半导体器件发射结集电结BECNNP基极发射极集电极+++++++++++++__________________________+++++++++++++第14章半导体器件BECNNP基极发射极集电极基区：最薄，掺杂浓度最低集电区：面积最大发射区：掺杂浓度最高第14章半导体器件BECNPN型三极管BECPNP型三极管三极管的符号表示NPNCBEPNPCBE硅管（3D系列）锗管（3A系列）第14章半导体器件14.5.2电流分配和放大原理ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB

实验电路(共发射极接法)CBERCmAIE第14章半导体器件晶体管电流测量数据IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此测量结果可得出如下结论：(1)IE=IC+IB符合基尔霍夫电流定律。(2)IE和IC接近，但是比IB大得多。(3)当IB=0（将基极开路）时，IE=ICEO，ICEO<0.001mA(4)晶体管要正常放大：发射结必须正偏，集电结必须反偏。第14章半导体器件IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05晶体管的电流测量数据☆从第三列和第四列的数据可得

称为静态电流放大系数。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，这就是晶体管的电流放大作用。

式中，

称为动态电流放大系数。第14章半导体器件静态电流放大系数静态电流放大系数与动态电流放大系数

=IC/

IBIC=

IB动态电流放大系数

一般认为≈，近似为一常数。常用的晶体管的值范围：20~200。

=

iC/

iB

iC=

iB第14章半导体器件电流放大的本质是：发射极电流被按照一定比例进行分配,这一比例系数我们称之为电流放大系数。BECNNPEBRBECIEIBEICEIcIBRCICBO1.发射区向基区扩散电子；2.电子在基区扩散和复合；3.集电区收集从发射区扩散过来的电子。第14章半导体器件☆要使三极管能放大电流，必须使发射结正向偏置，集电结反向偏置。BECNNPEBRBEcIE＋＋＋－＋－－－＋＋＋＋－－－－ICIBIBEICEICBORC第14章半导体器件BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管☆不同类型的管子，其偏置电压不同，使用时要注意。++-+++-+放大的外部条件第14章半导体器件各级电流运算关系第14章半导体器件例某晶体管的集电极电流ic为1.6mA。穿透电流ICEO为0.2mA，电流放大系数ß＝40，求基极电流ib和发射极电流ie。解:

因为ic=ßib+ICEO所以

ib=(ic-ICEO)

/ß

=(1.6-0.2)mA/40=35µAie=ic+ib

=1.6mA+0.035mA=1.635mA第14章半导体器件14.5.3特性曲线（1）输入特性曲线：

UCE为常数，iB=f(uBE)。（2）输出特性曲线：

IB为常数，iC=f(uCE)。☆晶体管的特性曲线是用来表示该晶体管各级电压和电流之间相互关系的，它反映出晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。第14章半导体器件共发射极电路ICUCERBIBUCCEBRCUBECBEIE+-+-+_UBC第14章半导体器件1.输入特性曲线（同二极管）:UCE为常数iB(

A)uBE(V)204060800.40.8UCE1V

死区电压，硅管0.5V。工作压降：硅管UBE0.6~0.7V第14章半导体器件2.输出特性（IB为常数）：曲线族iC(mA)1234uCE(V)36912IB=40A

IB=60AQ1Q2

=IC/

IB=2mA/40A=50

=

iC/

iB

=(3-2)mA/(60-40)A=50

=IC/

IB=3mA/60A=50第14章半导体器件输出特性：iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A当uCE大于一定的数值时，iC只与iB有关，iC=iB,且

iC=

iB

。此区域称为线性放大区。此区域中uCE

uBE,集电结正偏，

iB>iC，uCE0.3V称为饱和区。此区域中iB=0,iC=iCEO,uBE<死区电压,称为截止区。第14章半导体器件输出特性三个区域的主要特点(1)放大区：发射结正偏，集电结反偏。

IC=IB,且

IC=

IB

。(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。

I’C达饱和，

IB>I’C

。（UCE0,UBE0.7V）

(3)截止区：发射结和集电结全反偏。

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO0（ICEO穿透电流，很小，

A

级）

_第14章半导体器件例：

=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？USB=-2V，IB=0，IC=0，UCE≈USC=12V，Q位于截止区。USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mA饱和电流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA

IC=IB=500.019=0.95mA<

ICS=2mA

，Q位于放大区.ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE第14章半导体器件ICUCEIBUSCRBUSBCBERC