半导体器件课件3

半導體器件

學會用工程觀點分析問題，就是根據實際情況，對器件的數學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結果。

對於元器件，重點放在特性、參數、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內部機理。討論器件的目的在於應用。

對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值也有誤差。工程上允許一定的誤差、採用合理估算的方法。14.1

半導體的導電特性半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純淨的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極體、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環境溫度升高時，導電能力顯著增強14.1.1

本征半導體

完全純淨的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式矽單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）後，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現象稱為本征激發。空穴

溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現一個空穴，其結果相當於空穴的運動（相當於正電荷的移動）。本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流

(1)自由電子作定向運動

電子電流

(2)價電子遞補空穴

空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷複合。在一定溫度下，載流子的產生和複合達到動態平衡，半導體中載流子便維持一定的數目。本征半導體中，自由電子和空穴數量相同，且數量很少。溫度越高，載流子的濃度越高，導電能力越強，故溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。半導體的導電方式自由電子的移動空穴的移動半導體有兩種載流子自由電子空穴N型半導體

摻雜後自由電子數目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多餘電子磷原子在常溫下即可變為自由電子失去一個電子變為正離子

在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。14.1.1

N型半導體和P型半導體P型半導體

摻雜後空穴數目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。B–硼原子接受一個電子變為負離子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。1.在雜質半導體中多子的數量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。2.在雜質半導體中少子的數量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。3.當溫度升高時，少子的數量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba14.2PN結及其單向導電性14.2.1

PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體

內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。擴散的結果使空間電荷區變寬。空間電荷區也稱PN結

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡，空間電荷區的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區14.2.2PN結的單向導電性1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場IF

內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處於導通狀態。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–RU2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+UPN結變寬2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

內電場被加強，少子的漂移加強，由於少子數量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數目越多，反向電流將隨溫度增加。PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處於截止狀態。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+U結論PN結具有單向導電性：1.PN結加正向電壓，有較大的正向電流流過，稱PN結導通。2.PN結加反向電壓，僅有很小的反向電流，稱PN結截止。PN結的反向擊穿現象反向電壓太高時，內電場很強，少數載流子穿過內電場時獲得很大能量，它會把價電子碰撞出來，……，使載流子猛增，反向電流急劇增大，使發生雪崩擊穿。若PN結上的電場增加到某一數值時，強電場可以直接把共價鍵中的價電子拉出來，發生齊納擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿若PN結散熱好，是可逆擊穿溫度升高，PN結燒毀——熱擊穿，是不可逆的。PN結不能加上任意高的反向電壓14.3

二極體14.3.1基本結構(a)點接觸型(b)面接觸型

結面積小、結電容小、正向電流小。用於檢波和變頻等高頻電路。

結面積大、正向電流大、結電容大，用於工頻大電流整流電路。(c)平面型

用於積體電路製作工藝中。PN結結面積可大可小，用於高頻整流和開關電路中。陰極引線陽極引線二氧化矽保護層P型矽N型矽(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型鋁合金小球N型矽陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型半導體二極體的結構和符號二極體的結構示意圖陰極陽極(

d

)

符號D14.3.2伏安特性矽管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大於死區電壓二極體才能導通。

外加電壓大於反向擊穿電壓二極體被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性矽0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓範圍內保持常數。二極體的等效電路1.理想二極體的等效電路:

正向壓降為0，反向電流為0uDiDababuD<0時abuD>0時uDiD伏安特性2.考慮正向壓降UD時二極體的等效電路:

正向壓降UD：矽管取0.7V，鍺管取0.3VuDiDababuD<UD

時bauD>UD

時UDuDiD伏安特性UD3.考慮正向特性曲線的斜率時的等效電路:uDiDababuD<UT

時bauD>UT

時UTrd動態電阻：uDiD伏安特性UTD*二極體的型號2AP1電極數2：二極體3：三極管基片材料A：N型鍺，B：P型鍺C：N型矽，D：P型矽表示用途P：普通管，Z：整流管W：穩壓管，K：開關管序號：序號不同，參數有差別14.3.3主要參數1.

最大整流電流

IOM

二極體長期使用時，允許流過二極體的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM

是保證二極體不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極體反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極體擊穿後單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM

指二極體加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。矽管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為矽管的幾十到幾百倍。二極體的單向導電性1.二極體加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極體處於正嚮導通狀態，二極體正向電阻較小，正向電流較大。2.二極體加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極體處於反向截止狀態，二極體反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大於反向擊穿電壓二極體被擊穿，失去單向導電性。4.二極體的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。

二極體電路分析舉例定性分析：判斷二極體的工作狀態導通截止否則，正向管壓降矽0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極體斷開，分析二極體兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極體導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極體截止

若二極體是理想的，正嚮導通時正向管壓降為零，反向截止時二極體相當於斷開。電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極體導通若忽略管壓降，二極體可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低於－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極體，分析二極體陽極和陰極的電位。

在這裏，二極體起鉗位作用。D6V12V3k

BAUAB+–兩個二極體的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極體，分析二極體陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極體可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB

在這裏，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3k

AD2UAB+–ui>8V，二極體導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極體截止，可看作開路uo=ui已知：二極體是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極體的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償等。ui18V參考點二極體陰極電位為8VD8VRuoui++––例4：二極體的應用：RRLuiuRuotttuiuRuoR和C構成一個微分電路，二極體起檢波作用，去除正脈衝。例5：如圖，二極體是理想的，已知：ERDiDu12求下列情況下的iD波形：a.E=10V;b.E=20V;c.E=5V;d.E=0V解：12a.E=10V時b.E=20V時t10Vu12tiD1mAu12t20V10Vt2mAiD1mAERDiDu1212c.E=5V時d.E=0V時t5Vu1215VtiD0.5mA1.5mAt10Vu12tiD1mA二極體在其他方面的應用1。二極體限幅電路：MF30型袖珍萬用表表頭電路MFU1K

D1D237.5

A2750

2CP11X2原理：正常工作時，表頭M僅需0.103V電壓，即可滿刻度偏轉。而2CP11在0~150mV內，正、反向電流幾乎為0，相當於斷開，不影響表頭正常工作。當使用不當時，如用電流擋或電阻擋去測電壓，表頭會因過流而燒毀，有二極體後，表頭上的電壓被限制在0.7V，有一定的保護作用。2。續流二極體：eLERLiLS開關S斷開時，由於電流突變，L兩端產生很高的感應電動勢，危害極大。為此，線上圈兩端並聯一個二極體D。正常工作時，D截止，對電路沒有影響。S斷開時，D導通，線圈電流通過D續流而不致突變為0，從而使感應電動勢不會太大。D14.4

穩壓二極體1.符號UZIZIZM

UZ

IZ2.伏安特性

穩壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻

穩壓管反向擊穿後，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩壓管在電路中可起穩壓作用。_+UIO穩定電壓工作電流最大電流3.主要參數(1)

穩定電壓UZ

穩壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)

電壓溫度係數

ｕ環境溫度每變化1

C引起穩壓值變化的百分數。(3)

動態電阻(4)

穩定電流IZ、最大穩定電流IZM(5)

最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。14.5

半導體三極管14.5.1基本結構電晶體的結構(a)平面型；(b)合金型BEP型矽N型矽二氧化碳保護膜銦球N型鍺N型矽CBECPP銦球(a)(b)電晶體的結構示意圖和表示符號(a)NPN型電晶體；(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(b)PNP型電晶體CE發射區集電區基區集電結發射結NNP基極發射極集電極BCE發射區集電區基區P發射結P集電結N集電極發射極基極B基區：最薄，摻雜濃度最低發射區：摻雜濃度最高發射結集電結BECNNP基極發射極集電極結構特點：集電區：面積最大電晶體的命名方法：3DG6表示電極數2：二極體3：三極管表示材料A：PNP鍺B：NPN鍺C：PNP矽D：NPN矽表示管子類型X：低頻小功率管D：低頻大功率管G：高頻小功率管A：高頻大功率管序號：序號不同參數有所不同14.5.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNP發射結正偏、集電結反偏PNP發射結正偏VB<VE集電結反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發射結正偏VB>VE集電結反偏VC>VB

EBRBECRC電晶體電流放大的實驗電路

設EC=6V，改變可變電阻RB,則基極電流IB、集電極電流IC和發射極電流IE都發生變化，測量結果如下表：2.各電極電流關係及電流放大作用mA

AVVmAICECIBIERB+UBE

+UCE

EBCEB3DG100電晶體電流測量數據IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:(1)IE=IB+IC符合基爾霍夫定律(2)IC

IB

，

IC

IE

(3)

IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為電晶體的電流放大作用。

實質:

用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。+UBE

ICIEIB

CTEB

+UCE

(a)NPN型電晶體；+UBE

IBIEICCTEB

+UCE

電流方向和發射結與集電結的極性(4)要使電晶體起放大作用，發射結必須正向偏置，集電結必須反向偏置。(b)PNP型電晶體3.三極管內部載流子的運動規律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基區空穴向發射區的擴散可忽略發射結正偏，發射區電子不斷向基區擴散，形成發射極電流IE。進入P區的電子少部分與基區的空穴複合，形成電流IBE，多數擴散到集電結。從基區擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO3.三極管內部載流子的運動規律IC=ICE+ICBO

ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBO

IBEICE與IBE之比稱為共發射極電流放大倍數集－射極穿透電流,溫度

ICEO

(常用公式)若IB=0,則

IC

ICE014.5.3

特性曲線

即管子各電極電壓與電流的關係曲線，是管子內部載流子運動的外部表現，反映了電晶體的性能，是分析放大電路的依據。為什麼要研究特性曲線：

(1)直觀地分析管子的工作狀態(2)合理地選擇偏置電路的參數,設計性能良好的電路

重點討論應用最廣泛的共發射極接法的特性曲線發射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發射極電路輸入回路輸出回路

測量電晶體特性的實驗線路mA

AVVICECIBRB+UBE

+UCE

EBCEB3DG1001.

輸入特性特點:非線性正常工作時發射結電壓：NPN型矽管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3V3DG100電晶體的輸入特性曲線O0.40.8IB/

AUBE/VUCE≥1V60402080死區電壓：矽管0.5V，鍺管0.1V。UCE對輸入特性的影響：(1)UCE=0時，集電結和發射結正向並聯於B、E之間，曲線和二極體正向伏安特性相似。BECIBIEICUBEUCE(2)UCE>1V時，集電結加反向電壓，此時注入基區的大部分電子被吸收到集電極，形成IC。故在相同的UBE下，IB要比UCE=0時小一些。所以曲線右移。(3)UCE>1V以後，UCE的增加對曲線沒有明顯影響，因為所加反向電壓已能把除與空穴複合以外的電子都吸收到集電極，故一般用這條曲線。如果在B、E間直接加上過高的正向電壓，將使IB過大而損壞電晶體。注意2.輸出特性

共發射極電路IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=03DG100電晶體的輸出特性曲線

在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以電晶體的輸出特性曲線是一組曲線。+ICUCCIBRB+UBE

+UCE

UBBCEB+__2.輸出特性

電晶體有三種工作狀態，因而輸出特性曲線分為三個工作區3DG100電晶體的輸出特性曲線IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大區

在放大區IC=

IB

，也稱為線性區，具有恒流特性。

在放大區，發射結處於正向偏置、集電結處於反向偏置，電晶體工作於放大狀態。對NPN型管而言,應使

UBE

>0,UBC<

0，此時，

UCE

>UBE。Q2Q1大放區IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(2)截止區對NPN型矽管，當UBE<0.5V時,即已開始截止,為使晶體管可靠截止,常使UBE

0。截止時,集電結也處於反向偏置(UBC<

0),此時,IC

0,UCE

UCC。IB=0的曲線以下的區域稱為截止區。IB=0時,IC=ICEO(很小)。(矽管ICEO<0.001mA)截止區IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(3)飽和區

在飽和區，IB

IC，發射結處於正向偏置，集電結也處於正偏。

深度飽和時，矽管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。

IC

UCC/RC。

當UCE

<

UBE時，集電結處於正向偏置(UBC

>0)，電晶體工作於飽和狀態。飽和區電晶體三種工作狀態的電壓和電流(a)放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+(b)截止IC

0IB=0+UCE

UCC

UBC<0++UBE

0

(c)飽和+UBE>

0

IB+UCE

0

UBC>0+

當電晶體飽和時，UCE

0，發射極與集電極之間如同一個開關的接通，其間電阻很小；當電晶體截止時，IC

0，發射極與集電極之間如同一個開關的斷開，其間電阻很大，可見，電晶體除了有放大作用外，還有開關作用。電晶體的開關作用電晶體交替地工作在截止和飽和導通狀態時，C-E間電路就相當於受IB控制的開關。1.電晶體處於截止狀態UBE

0，IB

0，IC

0（對於矽管，UBE

0.5V已開始截止）RCO+UCCIC=0O+UCCRCIC=02.電晶體處於飽和導通狀態RCO+UCCUCES

0O+UCCRC一般開關管的UCES<0.35V，接近於理想開關，它工作頻率高，開關時間約幾十納秒。UBE略大於0.7V，IB很大，此時

0

0.10.5

0.1

0.6~0.70.2~0.3

0.30.1

0.7

0.3矽管(NPN)鍺管(PNP)

可靠截止開始截止

UBE/V

UBE/VUCE/VUBE/V

截止

放大

飽和

工作狀態

管型電晶體結電壓的典型值例：圖中，已知：UCC=6V，RC=3kΩ，RB=10kΩ，β=25，當UBB分別為3V，1V，-1V時，電晶體處於何種工作狀態？+ICUCCIBRB+UBE

+UCE

UBBCEB+__解：電晶體飽和時集電極電流為電晶體剛飽和時的基極電流為+ICUCCIBRB+UBE

+UCE

UBBCEB+__（1）當UBB=3V時電晶體已處於深度飽和狀態（2）當UBB=1V時電晶體處於放大狀態（3）當UBB=-1V時，發射結反向偏置，電晶體可靠截止。14.5.4

主要參數1.電流放大係數，

直流電流放大係數交流電流放大係數當電晶體接成發射極電路時，注意：

和

的含義不同，但在特性曲線近於平行等距並且ICE0較小的情況下，兩者數值接近。

常用電晶體的

值在20~200之間。

由於電晶體的輸出特性曲線是非線性的，只有在特性曲線的近於水準部分，IC隨IB成正比變化，

值才可認為是基本恒定的。

表示電晶體特性的數據稱為電晶體的參數，電晶體的參數也是設計電路、選用電晶體的依據。例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以後的計算中，一般作近似處理：

≈。IB=020A40A60A80A100A36IC/mA1234UCE/V9120Q1Q2