大学电工电子技术《半导体器件》案例教学课件

电工电子技术半导体器件案例教学：PN结·二极管·三极管PN结·二极管·三极管课程：电工电子技术课程导览01半导体与PN结基础载流子、掺杂与耗尽层的形成02二极管原理与特性单向导电性与伏安特性曲线03三极管原理与特性电流控制电流与三种工作状态04典型工程应用案例整流、保护与驱动电路落地05器件选型与展望参数要点与宽禁带材料趋势半导体器件物理01半导体与PN结基础一切半导体器件的起点从本征半导体到PN结，理解器件的物理根基本征半导体与载流子一切从硅与锗的原子结构说起半导体材料以硅和锗为代表，原子最外层有四个价电子半导体材料以硅和锗为代表本征半导体纯净、晶格完整导电能力很弱两种载流子自由电子带负电空穴带正电热激发常温下不断产生电子-空穴对成为导电的基础N型与P型半导体掺杂是改变半导体导电性的关键手段两种类型各自呈电中性，掺杂浓度越高导电能力越强；多数载流子简称多子，少数载流子简称少子，这一区分贯穿后续器件分析。掺杂改变导电性，N型与P型由此分野N型半导体3项掺杂元素五价元素（如磷）产生结果多出自由电子多数载流子电子P型半导体3项掺杂元素三价元素（如硼）产生结果产生电子空位多数载流子空穴PN结的形成浓差驱动扩散，电场驱动漂移1浓度差驱动P区空穴与N区电子相互扩散，在交界面相遇复合2留下离子复合后留下不能移动的杂质离子——P侧带负电，N侧带正电3内建电场离子层建立起由N区指向P区的内建电场4双向作用电场阻碍多子扩散，同时推动少子漂移5动态平衡扩散与漂移电流相等，PN结稳定形成PN结的形成，源于扩散与漂移的动态平衡耗尽层与内建电场中间那片无人区就是耗尽层温度升高时势垒电压下降，硅管约每升高

1℃

降低

2mV空间电荷区即耗尽层，又称势垒区，是PN结的关键结构内建电场方向内建电场方向由N区指向P区势垒电压硅管约0.7V锗管约0.3V宽度调控掺杂越高越窄正偏变窄反偏展宽正偏导通与反偏截止单向导电，正是PN结的灵魂外电场削弱内建电场则导通，增强内建电场则截止PN结导通与截止正向偏置电源正极接P区、负极接N区外电场削弱内建电场耗尽层变窄多子大量扩散，PN结导通反向偏置电源正极接N区、负极接P区外电场增强内建电场耗尽层展宽仅剩微安级漏电流，PN结截止应用与依据2项单向导电性使PN结成为整流、开关、稳压等功能器件的物理基础反向击穿反向电压过大将发生击穿，这正是稳压二极管的工作依据VS半导体器件物理02二极管原理与特性一个结，单向通行掌握二极管导通与截止的判据二极管的结构与符号一个PN结，加两个电极二极管的本质，是一个PN结加两个电极结构构成3项PN结与封装由一个PN结加上引出线和封装构成，是最基础的半导体器件阳极对应P区，电流由此流入阴极对应N区，电流由此流出符号识别3项符号方向电路符号中三角形指向竖线，箭头方向即为允许的电流方向无源开关器件通断由两端电压极性自动决定材料对比硅管导通压降较高，锗管导通压降较低伏安特性曲线四区域电压与电流的关系并非线性高频开关电路必须重点关注反向恢复时间，否则影响信号完整性正正向特性区死区电压低于死区电压时电流几乎为零上升超过死区电压后电流迅速上升反反向截止区漏流仅有很小的反向漏电流对比硅管约纳安至微安级，锗管较大击反向击穿区骤增反向电压超过击穿电压后电流骤增损坏普通二极管会损坏恢反向恢复区清荷由导通转为截止需清除存储电荷时间这段时间称反向恢复时间硅管与锗管电压对比材料不同，门槛电压差异显著，选型时须重点核对二极管主要参数选型前必须核对这几项指标工程上须按实际电流、电压及频率留出安全余量选型前必须核对

IF/VRM/IS/trr

四项核心参数IF最大整流电流允许长期通过的最大正向平均电流，超过会过热烧毁IS反向饱和电流反映反向漏电水平，直接影响功耗与稳定性VRM最高反向工作电压允许长期施加的反向电压最大值，通常低于击穿电压trr反向恢复时间由导通转向截止所需时间，决定高频与开关应用的适用性二极管类型与功能同一原理，衍生出多样的功能器件同一原理下，四类二极管的结型差异，直接决定其功能分化方向。不同器件通过材料掺杂与结构设计实现功能分化，选型须对应场景整流二极管高耐压、大电流交流变直流肖特基二极管金属-半导体结低压降、快开关齐纳二极管反向击穿特性稳压与参考电压发光二极管载流子复合发光电能转化为光能半导体器件物理03三极管原理与特性小电流撬动大电流理解放大、饱和与截止三种状态三极管的结构与两种类型两个背靠背的PN结，三个电极三极管全称双极型晶体管，由两个背靠背的PN结构成三层半导体结构本质三极管全称双极型晶体管，由两个背靠背的PN结构成三层半导体引出三个电极——发射极E、基极B、集电极CNPN型按半导体排列不同分为两大类PNP型按半导体排列不同分为两大类关键前提基区极薄且低掺杂，若基区过厚则退化为两个串联二极管，失去放大能力载流子运动与电流关系微小的基极电流，撬动巨大的集电极电流三步走：从注入到收集，微小基极电流撬动巨大集电极电流放大状态偏置条件发射结正偏，集电结反偏三步走：从注入到收集1发射区大量电子越过发射结注入基区2基区极薄，仅极少数电子与空穴复合形成微小基极电流

IB3绝大多数电子扩散到集电结，被反向电场拉入集电区，形成集电极电流

IC电流关系电流叠加Ie=Ic+Ib电流放大Ic=β·Ibβ为电流放大系数电流放大系数与三种状态三种状态，对应三种应用β=20~200，衡量放大能力的关键参数截止区Ib=0Ic≈0，相当于开路放大区Ic受Ib控制严格受控的电流关系饱和区0.1~0.3VVce极小，相当于短路截止区发射结反偏，Ib=0，Ic≈0相当于开路，开关断开放大区发射结正偏、集电结反偏Ic严格受Ib控制，用于信号放大饱和区两个结均正偏，Vce极小，约0.1~0.3V相当于短路，开关闭合数字电路取其开关状态，模拟电路取其放大状态NPN与PNP的对比辨析特性NPN型PNP型结构两层N夹一层P两层P夹一层N电流方向C流入、E流出E流入、C流出导通条件Vbe约0.7VVeb约0.7V电源接法E接GND，C接正极E接正极，C接GND开关逻辑高电平导通低电平导通常用型号9013、80509012、8550箭头向外是NPN，箭头向内是PNP——高电平导通与低电平导通的分水岭半导体器件物理04典型工程应用案例从原理走向电路整流、保护与驱动电路的实践解析整流电路效率对比整流是二极管最典型的应用，结构不同效率差距明显半波整流40.6%与桥式全波整流81.2%效率对比整流方式效率半波整流40.6%桥式全波整流81.2%半波整流结构简单但纹波大、效率低，桥式全波整流更适用于电源适配器二极管保护类电路保护电路中的秩序维护者二极管在保护电路中承担防反接、续流与稳压三类典型职责防反接保护电池接反时二极管截止保护后级电路常见于充电宝接口续流保护在继电器、电机等电感两端反向并联二极管吸收断电时的反向电动势稳压应用齐纳二极管利用反向击穿区工作须串联限流电阻0.45V肖特基正向压降3.75%电压损耗5.8%普通整流管12V电源输入采用肖特基二极管时，明显优于普通整流管三极管开关驱动电路基极给一点点电流，负载就被点亮1步骤01导通基极>0.7V基极加超过

0.7V

电压，三极管导通控制信号可来自单片机或MCU2步骤02闭合内阻极低集电极与发射极导通后内阻极低相当于闭合开关，负载得电工作3步骤03关断无触点通断基极电压消失即关断，负载停止工作实现无触点通断应用与选型常用于驱动

继电器、蜂鸣器、LED、小型电机

等较大电流器件选型遵循：PNP型控制接电源一侧，NPN型控制接地一侧LED驱动设计实例从已知负载倒推基极电流1已知条件MCU到基极电压

5V，发射结压降约

0.7V2求发射极电阻电压5V−0.7V=4.3V3查手册定增益集电极电流

100mA

时增益约

1004算基极电流Ib=100mA÷100=1mA5得限流电阻约

430Ω单片机仅需输出

1mA，即可控制

100mA

负载三极管自锁开关电路纯硬件实现的开关机逻辑电路由

PNP三极管Q1、NPN三极管Q2、二极管D1

及若干电阻构成，电源

5VQ1、Q2充当电子开关，D1限制电流单向，电阻承担限流与分压；该案例体现两个三极管互为联动、相互配合的工程思路。第1环开机按下S1开机Q2导通→Q1基极被拉低而导通→经D1维持导通状态→LED1点亮第2环关机按下S2关机Q1基极被拉高而截止→电压变低→Q2随之截止→LED1熄灭半导体器件物理05器件选型与展望选对器件，用对场景参数要点与宽禁带材料新趋势二极管选型要点参数匹配，是选型的第一原则选型始于电流电压，终于封装安装，五个维度逐项核对选型五要点电流与电压按最大整流电流IF与最高反向工作电压VRM留出安全余量开关性能高频或开关场景优先关注反向恢复时间与结电容损耗与漏电低损耗场景优先选用肖特基二极管，注意高温下漏电流增长温度适应汽车、工业等极端温度场景，须核对器件的温度适应性封装与安装兼顾封装形式与安装空间，贴片或直插各有适用场合三极管选型与注意事项参数选对，还要接线接对三极管选型看β与功率匹配，操作更要把安全接线做到位选型要点信号放大场景关注电流放大倍数

β，小信号可选

50~100大功率驱动场景可选

β=100~300，并匹配负载功率按功率匹配型号小功率开关常用

9013，大功率负载可选

8050操作规范基极串联

1kΩ~10kΩ

限流电阻，避免基极电流过大大功率三极管须加装散热片接线前断开电源并做好防静电严禁直接连接市电宽禁带材料趋势展望从硅到碳化硅与氮化镓“掌握PN结原理，是理解并驾驭这些新