电工与电子技术（第2版）课件 第9章 常用半导体器件

第9章常用半导体器件9.1

半导体的导电特性9.2

半导体二极管9.3

稳压二极管9.4

晶体管9.5

光电半导体

本章重点及难点内容：1.PN结的单向导电性、晶体管的电流分配和电流放大作用。2.二极管、稳压管和晶体管的电气特性曲线

及其主要参数。3.含二极管的电路的分析。

学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，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。

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。9.1半导体的导电特性半导体的导电特性：(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，导电能力显著增强

(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显增强

(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强9.1.1

本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。硅单晶中的共价健结构共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子共价键

Si

Si

Si

Si

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。自由电子空穴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本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；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。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对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。9.1.2P型半导体和N型半导体

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。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。多余电子磷原子失去一个电子变为正离子在常温下即可变为自由电子

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。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。B–无论N型或P型半导体，在无外电场的作用下都是不带电的。硼原子空穴接受一个电子变为负离子9.1.3PN结的行程及其单向导电性1.

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薄。

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，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区2.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接负外电场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。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN结变宽(2)PN结加反向电压（反向偏置）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。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+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+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－9.2半导体二极管9.2.1

基本结构

二极管实质上是一个PN结，由P区和N区各引出一条电极引线，再用管壳封装而成。

二极管按结构工艺不同，可分为点接触型、面接触型和平面接触型三类；按用途来分，可分为开关二极管、整流二极管、稳压二极管、发光二极管和光敏二极管等；按制作材料来分，可分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线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)面接触型半导体二极管的结构和符号阴极阳极(

d

)符号D9.2.2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。当外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V死区电压反向电压较小时反向电流基本保持不变9.2.3二极管的主要参数(1)最大整流电流

IFM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URM是保证二极管不被击穿而规定的最高反向电压，约为反向击穿电压UBR的一半或三分之二。(3)反向峰值电流IRM指反向工作峰值电压下的反向电流。此值越小，说明管子的单向导电性越好。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。分析方法：将二极管断开，分析其阳极和阴极电位。如果两者的电位差大于二极管的开启电压，则二极管导通，否则截止。

理想二极管的正向导通压降为零，反向截止电阻为无穷大，相当于断开。9.2.4

二级管的应用

对于两个及以上的共阳极二极管，需分析这些二极管的阴极电位，阴极电位最低的二极管优先导通；对于两个及以上的共阴极二极管，需分析它们的阳极电位，阳极电位最高的二极管优先导通。电路如图，求：UABV阳=－6VV阴=－12VV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低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例：

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。D6V12V3k

BAUAB+–例:

例：

二极管起检波的作用，除去负尖脉冲。9.3稳压二极管1.外形及符号_+

稳压二级管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，又称齐纳二极管，主要起稳压的作用。外形图形符号UZIZIZmax

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。UIOIZmin3.主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。手册中给出的UZ是同一型号稳压二极管的稳定范围。(2)稳定电流IZ(3)

最小稳定电流IZmin

稳定电流IZ是指稳压二级管工作电压为稳定电压UZ时的反向电流。

最小稳定电流IZmin是稳压二极管起稳压作用时所需的最小反向电流。(4)

最大稳定电流IZmax

是稳压二极管允许通过的最大反向电流，超过这个值管子就会因过热而损坏。(5)电压温度系数

ｕ环境温度每变化1

C引起稳压值变化的百分数。(6)动态电阻(7)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。例：

NPN型晶体管(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEICPNP型晶体管CE发射区集电区基区集电结发射结NNP基极发射极集电极BCE发射区集电区基区P发射结P集电结N集电极发射极基极B9.4

晶体管1.基本结构2.晶体管的三种工作状态(1)

晶体管的放大状态BECNNPPNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB晶体管放大的外部条件：EBRBECRC

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

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：面积最大晶体管放大的内部条件：晶体管内部载流子的运动规律：BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

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。从基区扩散到集电结的自由电子形成ICE。集电结反偏，少子的运动形成反向电流ICBO。IC=ICE+ICBO

ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBO

IBEICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数集－射极穿透电流,温度

ICEO

(常用公式)若IB=0,则

IC

ICE0(2)

晶体管的饱和状态

晶体管集电极与发射极间相当于闭合的开关，晶体管处于饱和导通状态。(3)

晶体管的截止状态

3.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。

以应用最广泛的共发射极电路（发射极是输入回路、输出回路的公共端）为对象，讨论其输入特性（IB和UBE的关系）和输出特性（IC和UCE的关系）曲线。(1)

输入特性特点:非线性正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3V形状与二极管的伏安特性一样，只是受UCE的影响；但在UCE≥1V后，输入特性曲线基本重合。(2)

输出特性在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。在放大区IC=

IB

，也称为线性区，具有恒流特性。对NPN型硅管，当UBE<0.5V时,即已开始截止,为使晶体管可靠截止,常使UBE

0。晶体管三种工作状态的电压和电流(a)放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+(b)截止IC

0IB=0+UCE

UCC

UBC<0++UBE

0

(c)饱和+UBE>

0

IB+UCE

0

UBC>0+晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。

0

0.10.5

0.1

0.6~0.70.2~0.3

0.30.1

0.7

0.3硅管(NPN)锗管(PNP)可靠截止开始截止

UBE/V

UBE/VUCE/VUBE/V

截止

放大

饱和

工作状态

管型晶体管结电压的典型值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。例：

对应的饱和基极电流为

对应的饱和基极电流为

所以三极管已处于深度饱和状态。对应的饱和基极电流为

所以三极管处于放大状态。

4.主要参数(1)

电流放大系数

和直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成共发射极电路时注意：

注意：和

的定义不同，但在正常工作范围内，两者数值比较接近，可认为两者相等

。常用晶体管的

值在20~200之间。

由晶体管的输出特性曲线可知，只有在放大区，IC才随IB成正比变化，

值才可认为是基本恒定的。例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：

=。IB=020A40A60A80A100A36IC/mA1234UCE/V9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得(2)集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO

AICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度

ICEO，所以IC也相应增加。晶体管的温度特性较差。(3)集电极最大允许电流ICM集电极电流IC上升会导致晶体管的

值的下降，当

值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。(4)集-射极反向击穿电压U(BR)CEO当集—射极之间的电压UCE超过一定的数值时，晶体管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)

CEO。(5)集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于晶体管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏晶体管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允许结温约为150C，锗管约为70

90C。ICMU(BR)CEO由三个极限参数可画出晶体管的安全工作区ICUCEOICUCE=PCM安全工作区9.5

光电半导体1.发光二极管

发光二极管简称为