第十四章半导体器件

1、第14章二极管和晶体管、第14.3二极管、第14.4齐纳二极管、第14.5晶体管、第14.2 PN结及其单向导电性、第14.1半导体的导电特性、第14.6光电元件、第14章半导体二极管和晶体管，本章理解PN结的单向导电性， 二要求理解晶体管的电流分配和电流放大作用；二要求理解二极管、稳压管和晶体管的基本结构、工作原理和特性曲线；三要求理解主要参数的含义；分析包含二极管的电路。 器件非线性，特性分散，RC值有误差，采用工程允许一定误差，合理估计的方法。 分析计算电路时，如果能满足技术指标，请不要过度追求正确的数值。 零件不能把重点放在特性、参数、技术指标和正确的使用方法上，过度追究其内部机制。

2、研究设备的目的是应用。 学会从工程学的角度分析问题是基于实际情况，合理地近似器件的数学模型和电路的工作条件，用简便的分析方法取得实际结果。 14.1半导体的导电特性、半导体的导电特性：(可制作热敏电阻等温度感应元件)。 掺杂性：在单纯的半导体中混入杂质，导电能力会发生显着变化(可以制作二极管、晶体管、晶闸管等各种用途的半导体器件)。 感光性：接受光后，导电能力会有明显变化(可以制作光电电阻、光电二极管、光电晶体管等各种受光元件)。 热敏性：随着环境温度的上升，导电能力显着增强，14.1.1本征半导体，完全纯粹且具有结晶结构的锗、硅、硒被称为本征半导体。 晶体中原子的排列方式、单晶硅中的共价键结

3、构、共价键中的两个电子被称为价电子。 价电子、价电子在得到一定的能量(温度上升或光照射)后，从原子核的束缚中释放，成为自由电子(带负电)的同时，共价键上残留有空穴，被称为带正电。 本征半导体的导电机理、本征激励：空穴、温度越高，结晶中产生的自由电子越多。 自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子进行补充，该原子出现空穴，结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。 本征半导体的导电机理是，当在半导体的两端施加电压时，发生载流子的取向运动(漂移运动)，在半导体中作为2个电流(1)自由电子进行取向运动的电子电流(2)价电子，补充空穴电流，注意： (1)本征半导体中的载流子数极少，其导电性

4、能非常低因此，温度对半导体器件的性能的影响很大。 自由电子和空穴成对发生的同时，也在不断地复合。 在一定温度下载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中的载流子维持一定数量。 半导体有自由电子、空穴、14.1.2 N型半导体和p型半导体两种导电粒子，掺杂后自由电子的数量大幅度增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，被称为电子半导体或n型半导体。 若导入五价元素、多馀的电子、磷原子，则在常温下变成自由电子，失去一个电子变成正离子，向本征半导体导入微量的杂质(某元素)，形成杂质半导体。 多数载流子(多子):自由电子少数载流子(少子):空穴，14.1.2 N型半导体和p型半导体，掺杂的空穴的数

5、量大幅度增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，被称为空穴半导体或p型半导体。 三价元素配合，多子：空穴少子：自由电子，硼原子，接受一个电子变成负离子，空穴，n型和p型都是中性的，外部不通电。 1 .杂质半导体中的多分子的数量与(a .掺杂浓度、b .温度)有关系。2、杂质半导体中的少子数量与(a .掺杂浓度、b .温度)有关。 3 .温度一上升，少子的数量(a .减少，b .不变，c .增加)。 根据施加电压，p型半导体中的电流主要是n型半导体中的电流主要是。 (a .电子电流，b .空穴电流)，b，a，14.2 PN结及其单向导电性，PN结： p型半导体和n型半导体界面的特殊薄层，1

6、.对PN结施加正向电压(正向偏压)，在p结上正，n结上负，IF，多子在外电场中取向移动，形成大的正向电流。 向PN结施加正向电压时，正向电阻小，变为导通状态。 2 .在pn结上反向电压(反向偏置)、p结负、n结正、少子在外电场中取向移动，形成小的反向电流。 如果向PN结施加反向电压，反向电阻就会变得很大，成为断开状态。 温度越高少子的数量越多，逆电流随温度增加。IR、14.3半导体二极管、14.3.1基本结构(一个PN结)、(a )点接触型、(b )面接触型、结面积小、结电容小、正向电流小。 用于检波和变频器等高频电路。 用于接合面积大、正向电流大、接合电容大、商用频率大的电流整流电路。 (c

7、 )平面型用于集成电路的制造工艺。 PN结的结面积可以很小，用于高频整流和开关电路。 二极管结构示意图，14.3.2伏安特性，硅管0.5V，锗管0.1V。 如果、逆耐压U(BR )、导通电压降、施加电压大于死区电压二极管，则无法导通。 施加了逆耐压以上电压的二极管被破坏，失去一个方向的导电性。 正向特性、反向特性、特征：非线性、硅0.60.8V锗0.20.3V、死区电压、反向电流在一定电压范围内保持常数。 14.3.3主要参数、1 .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 .反向操作峰值电压URWM是确保二极管不被破坏的反向峰值电压，其通常为二极管反向破坏

8、电压UBR的一半或三分之二。 二极管被破坏的话，单向的导电性就会被破坏，过热烧损。 3 .逆峰值电流IRM是指向二极管施加了最高逆动作电压时的逆电流。 反向电流大表示管的单向导电性差，IRM受到温度的影响，温度越高，反向电流越大。 硅管的逆电流小，锗管的逆电流大，是硅管的几十到几百倍。 二极管的单向导电性，1 .对二极管施加正向电压(正向偏压、阳极正、阴极负)时，二极管处于正向导通状态，二极管的正向电阻小，正向电流大。 2 .对二极管施加反向电压(反向偏压、阳极负、阴极正)时，二极管处于反向断开状态，二极管的反向电阻大，反向电流小。 3 .施加电压大于逆耐压的二极管被破坏，失去一个方向的导电性

9、。 4 .二极管的反向电流受到温度的影响，温度越高反向电流越大。 二极管电路的分析实例，定性分析：判断二极管的工作状态，通断，分析方法：关断二极管，分析二极管两端电位的高低和施加电压UD的正负。v阳v阴或UD为正时，二极管导通时为v阳v阴，二极管导通时忽略管电压降时，可视为短路，UAB=- 6V否则，UAB低于-6V的管电压降为-6.3V或-6.7V，例1 :b 二极管作为钳子发挥功能。 解：以、b点为基准点，关断二极管，分析二极管的阳极和阴极的电位。 V1阳=-6 V、V2阳=0 V、V1阴=V2阴=-12 V UD1=6V、ud2=12vud2uD18756； d2优先接通、钳位、d1关断

10、。 如果忽略管电压降，则可以将二极管视为短路，在UAB=0 V、例2:D2中流过的电流求出UAB、D2 :钳位作用，D1 :隔离作用。 解：ui 8V、二极管on、短路uo=8V ui 8V、二极管off、开路uo=ui、二极管理想、试着画了uo波形。、8V、例3 :二极管的用途：整流、检波、切片、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。 参考点，二极管阴极电位为8 V，解：14.4稳定二极管，1 .符号，UZ，IZ，IZ，IZ，2 .伏安特性，稳定管正常工作时施加反向电压，使用时施加限流电阻，稳定管被反向破坏后、3 .主要参数是： (1)稳定电压UZ稳定压力管正常工作(反向破坏)时管两端的电压。

11、(2)电压温度系数u的环境温度每次变化时稳定值变化的比例。 (3)动态电阻、(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM、(5)最大允许耗散功率PZM=UZ IZM、rZ越小，曲线越陡，稳定化性能越好。 14.5晶体管，14.5.1基本结构，基极，发射极，集电极，NPN型，符号：NPN型晶体管，PNP型晶体管，基极：最薄，掺杂浓度最低，发射极区域：掺杂浓度最高，发射极结， 集电极区域：面积最大，14. 5. 2电流分配和放大原理，1 .晶体管放大的外部条件发射极结正偏置，集电极结反偏置，PNP发射极结正偏置VBVB，2 .各电极电流关系和电流放大作用，结论： 1，1 )三电极电流关系ie=IBIC2

12、)ICIB、ICie3)ICIB，将基极电流的微小变化引起集电极电流的大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质上：是CCCS装置，其利用小电流变化来控制大电流变化。 3 .晶体管内部的载流子的运动规则，和正偏压被发射，发射极区域中的电子向基极区域扩散，形成发射极电流IE。 进入p区域的电子少的部分与基极区域的空穴再结合，形成电流IBE，大部分向集电接合扩散。 从基极区域扩散的电子作为集电接合的少子，漂移进入集电接合后被收集，形成ICE。 集电接合为反偏压，有少子引起的反电流ICBO。 3 .晶体管内部的载流子的运动规则，IC=ICE ICBO ICE、IB=IBE- ICBO IBE、IC

13、E和IBE的比被称为发射极电流放大率、集电极-发射极贯通电流、温度ICE，IB=0，则为ICice0、14.5.3 管道各电极电压和电流的关系曲线是管道内部载流子运动的外部表现，是反映晶体管性能、分析放大电路的依据。 为什么需要研究特性曲线：1)直观分析管的工作状态；2 )合理选择偏置电路的参数，设计性能好的电路，重点研究应用了最广泛的发射极接合法的特性曲线，发射极为输入电路、输出电路的公共端、发射极电路， 测量晶体管特性的实验电路，输入电路，输出电路，1 .输入特性，特征：非线性，死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。 正常工作时放出结电压： NPN型硅管UBE 0.60.7V PNP型锗管

14、ube0.20.3v，2 .输出特性，IB=0，20a，放大区，输出特性曲线通常分为三个工作区域：(1)放大区，放大区中IC= IB 条件：发送接合顺序偏置集电接合反偏置，(2)截止，IB 0以下的区域有截止、ic0、UCE UCC。 条件：发射结反偏压、集电结反偏压、饱和区域、截止区域、(3)饱和区域、UCE UBE时、饱和状态。 UCE 0，PS UCC/RC。 条件：发送接合顺序偏置集电接合顺序偏置，14.5.4主要参数，1 .电流放大系数，喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓，注意：虽然意思不同，但特性曲线接近平行等距离ICE0小时，两者的数值接近。 常用晶体管的值在20 200之间。

15、2 .集电极基极反向阻止电流ICBO、ICBO是由少数载流子的漂移运动形成的电流，受温度的影响很大。 温度icbo，3 .集-发射极逆切断电流(贯通电流) ICEO，ICEO对温度的影响很大。 因为温度iceo，IC也相应地增加。 晶体管的温度特性差。 4 .集电极最大容许电流ICM，5 .集电极-发射极逆耐压U(BR)CEO，集电极电流IC的上升导致晶体管值的降低，值下降到正常值的三分之二时的集电极电流为ICM。 如果置位-发射极之间的电压UCE超过一定的值，晶体管就会被破坏。 手动所示的数值是25c、基极开路时的破坏电压U(BR) CEO。 集电极最大允许消耗功率PCM、PCM依赖于晶体管

16、的允许温度上升，消耗功率过大，温度上升过高时，晶体管烧损。 PC PCM=IC UCE，硅管的允许结温约为150C，锗管约为7090C。ICUCE=PCM、安全工作区，从三个极限参数可以描绘晶体管的安全工作区、晶体管参数与温度的关系，1、ICBO每增加10c就倍增。 硅管比锗管优越. 2、每温度上升1c，UBE就会减少(22.5) mv，也就是说，晶体管具有负的温度系数。 3、温度每上升1c，就增加0.5%1.0%。 例1 :在1:UCE=6 V的情况下，在Q1点处IB=40A、IC=1.5mA； 在Q2点处IB=60 A，IC=2.3mA。 在以后的计算中，一般进行近似处理：=。 Q1、Q2、Q1点，从Q1和Q2点开始，(1)V1=3.5V、V2=2.9V、V3=12V。 例2 :测量在放大电路上操作的几个晶体管的三个极电位值V1、V2、V3，来判断管的类型、材料和三个极。 NPN型硅管按照1、2、3的顺序为b、e、c，(2)V1=3V、V2=2.8V、V3=12V。 (3)V1=6V，V2=11.4V，V3=12V。 (4)V1=6V、V2=11.8V、V3=12V。NPN型锗管、1、2、3顺序为b、e、c、PNP型硅管，1、2、3的顺序为c、b、e、PNP型锗管，1、2、3的顺序为c、b、e、例3 :测定电路中的晶体管