电工第8章半导体器件

1、P 207,(7 3 1),7 2 2,7 4 1,第七章作业 （10月9日）,7 5 2,7 6 1,第8章 半导体器件,8 . 1 半导体的基础知识,8 . 2 半导体二极管,8 . 3 特殊二极管,8 . 7 晶闸管（选讲）,8 . 4 双极型晶体管,8 . 5 场效晶体管（选讲）,8 . 6 集成电路（选讲）,8 .1 半导体基础知识,一、本征半导体,1、定义：纯净的具有晶体结构的半导体,（1）通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,（2）完全纯净的（单一元素组成的）、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,（3）在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组 成，每个原子与其相临的原子之间形

2、成共价键，共 用一对价电子。,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。,共价键 共用电子对,2、本征半导体的导电机理,在绝对零度（T= 0 K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为 0。,在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为 自由电子，同时共价键上留下一个空位，称 为空穴。自由电子和空穴都可以参与导电，通称载流子。,本征半导体的导电机理,自由电子在外电场的作用下，在晶格点

3、阵 中定向运动，形成电子电流。,空穴导电：空穴吸引邻近价电子来填补，这样 的结果相当于空穴的迁移，因此可以认为空穴 是呈正电性的载 流子，其定向运 动的方向与自由 电子相反，所形 成的电流称为空 穴电流。,（2）自由电子和空穴总是成对出现，同时又不 断相遇“复合”。,（3）在一定温度下，电子空穴对的产生和复合 达到动态平衡，于是半导体中的载流子数 目便维持一定。,（1）半导体有两种载流子： 自由电子和空穴,3、本征半导体的特点：,（4）温度愈高，半导体的载流子愈多，导电性 能也愈好。,二、杂质半导体,定义：渗入少量杂质的半导体,1、N 型半导体,多余电子,磷原子,形成：向本征半导体中渗 入少量

4、的 5 价 元素 特点：（1）含有大量的电子 多数载流子 （2）含有少量的空穴 少数载流子,二、杂质半导体,2、P 型半导体,空穴,硼原子,形成：向本征半导体中渗 入少量的 3 价 元素 特点：（1）含有大量的空穴 多数载流子 （2）含有少量的电子 少数载流子,结 论,1、P 型半导体：本征半导体中掺入三价元素；,N 型半导体：本征半导体中掺入五价元素。,3、多数载流子的数目取决于掺杂浓度，少数载流子的数目取决于温度。,4、无论P 型半导体或N型半导体，就其整体而言，正负电荷平衡仍为电中性。,2、 P 型半导体 N 型半导体 多数载流子 空穴 自由电子 少数载流子 电子 空穴,三、P N 结,

5、1、PN结的形成,多子的浓度差,注：PN结的结电容很小,三、P N 结,2、PN结的特性,PN结正偏,（1）PN结外加正向电压,三、P N 结,2、PN结的特性,PN结反偏,（2）PN结外加反向电压,三、P N 结,2、PN结的特性,（3）PN结的特性：,单方向导电性,8 .2 半导体二极管,一、基本结构,二、伏安特性,定义：二极管电流与电压之间的关系,因通常使用二极管时应保证其工作在正向导通或反向截止状态，故认为二极管正偏导通，反偏截止单向导电性。,正向：OA 段（死区）硅管约0.5V，锗管约0.2V 正向导通 硅管约0.7V，锗管约0.3V ( UD ),反向：OB 段（截止区）I 近似为

6、 0 击穿区 管子被击穿,三、主要参数,1、IF ：额定正向平均电流(最大整流电流) 二极管长期工作时允许通过的最大正向电流的平均值,2、UF ：正向电压降 二极管在通过额定正向平均电流时两端的电压值,3、UR ：最高反向工作电压 保证二极管不被击穿所允许的最大反向电压,4、IRm ：最大反向电流 二极管加最高反向工作电压时的反向电流,以上各值是选择二极管的依据！,四、应用举例,二极管的应用主要是利用它的单向导电性来实现 整流、限幅（削波）、钳位隔离等作用。,整流作用：,限幅（削波）作用：,钳位、隔离作用：,UA UB 时，UF UA DA 将 F 端电位钳位在 UA DB 将 F 端与输入端

7、 B 隔离,UA UB时，UF UB DB 将 F 端电位钳位在 UB DA 将 F 端与输入端 A 隔离,解:,在如图所示的的电路中，求输入端Y的电位VY 。,DA优先导通,设管压降为0.3V，则 VY = 2.7 v,此时， VY VB , DB反偏截止,效果 钳位：VY 钳在 2.7 v 隔离：DB使 B 与 Y 隔离断开，不通。,已知ui=2Esint,试画出各电路的输出电压uo 的波形。,(1) 并联下限幅器,解:, ui 正半周时，D截止，E 断开， uoui ;, ui 负半周且 时, D导通，输出为 uo = E 。,(2) 并联上限幅器,(3) 双向限幅（削波）器,对如图的电

8、路，试求下列情况下输出端的 电位VY及各元件中通过的电流: (1) VA= 10 v, VB=0 ; (2) VA= VB= 5 v 。 （设二极管的正向电阻为零，反向电阻为无限大）,(1) VA= 10 v, VB = 0时，,解:,DA导通,DB反向截止！,（2）VA=VB= 5 v时，DA、 DB同时导通，此时,VY由VA和VB共同作用， 可根据结点电压法求出：,8 .3 特殊二极管,一、稳压二极管,3、主要参数 稳定电压 Uz 最小稳定电流 Izmin 最大稳定电流 Izmax,1、结构：面接触型硅二极管,2、主要特点： （1）正向特性同普通二极管 （2）反向特性 a、较小的U 较大的

9、 I b、在一定的范围内，反向击穿具有可逆性,二、稳压原理,三、稳压管的主要应用,1、 限幅作用,在限幅电路中， 二极管工作在正向特性区； 稳压管工作在反向击穿区。,2、 稳压作用,稳压管稳压电路由限流电阻RZ与稳压管DZ构成。, 当电源电压增大而引起Ui 时，受其影响有Uo,Uo= UZ是DZ的反向工作电压，有UiUo=UZIZ很多 I RZ = ( IZ + Io ) RZ 很多 Uo = Ui IRZ 基本不变（稳压!）, 当电源电压不变而负载变化时，RLIo Uo UZ = Uo IZ很多 I = ( IZ + Io )基本不变 Uo = Ui IRZ 基本不变（稳压!）,8 .4 双

10、极型晶体管,一、基本结构,基区：较薄，1um以下，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,以 NPN 型晶体管为例,发射结,集电结,三区: 基区 发射区 集电区,三极: 基极 B 发射极 E 集电极 C,两结: 发射结 集电结,结构特点:,二、工作状态,1、晶体管中载流子运动过程,(1)电流分配原则：IE=IB+IC (2)穿透电流： ICEO 0 （IE0时IC ICEO此值受温度影响较大） (3)直流电流放大系数： (4)交流电流放大系数：,Ec,2、电流放大原理,EB,RB,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。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,进入P区

11、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。,EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,多子的运动,少子的运动,ICE与IBE之比即IC与IB之比称为电流放大倍数,IB=IBE-ICBO IBE,B,E,C,IB,IE,IC,NPN型晶体管,B,E,C,IB,IE,IC,PNP型晶体管,晶体管的表示方法,T,T,图中箭头方向代表发射结正偏时的正向电流方向！,3、晶体管的工作状态,特性曲线实验线路,三、 特性曲线,1、输入特性曲线,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降：

12、 硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.20.3V。,2、输出特性曲线,此区域中UCE0.3VUBE ,集电结、发射结均正偏，IBIC，无放大作用，称为饱和区。,此区域IC=ICEO , UBE 死区电压，发射结、集电结均反偏，晶体管相当于两个截止的二极管并联，其作用相当于一个打开的开关。此区称为截止区。,此区域中 :发射结正偏，集电结反偏， UBE0 , UBC0， ，此 区称为放大区或线性区。,前面的电路中，晶体管的发射极是输入输出的公共点，称为共射极接法。（相应地还有共基极 、共集电极接法）,共射直流电流放大倍数：,1、 电流放大倍数和 ,四、 主要参数,工作于动态的晶体管，真正的信号

13、是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,例：UCE= 6V 时：IB= 40A, IC= 1.5mA； IB= 60 A, IC= 2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,2、 集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,3、穿透电流（集-射极反向截止电流 ）ICEO,B,E,C,N,N,P,因基极开路，ICBO继续向下进入发射区,形成 IBE ICBO,根据放大关系,由于IBE的存在,必有电流 IBE= ICBO,集电结反偏，有少子漂移电流 ICBO,4、 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。,所以集电极电流应为：IC= IB+ICEO,而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。晶体管的温度特性较差。,5、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、集(C