电工学：第8章半导体器件

1、内容提要,半导体器件是组成各种电子电路包括模拟电路和数字电路，集成电路和分立元件电路的基础。本章首先介绍半导体的特性，半导体中载流子的运动，阐明PN结的单向导电性，然后介绍半导体二极管、稳压管、半导体三极管及场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。,第8章 半导体器件,掌握器件要领10字令： 功能、结构、原理、曲线、参数,半导体的特性,导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称半导体。 如：硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）以及大多数金属氧化物和硫化物,特性,1. 温度导电能力可做成各种热敏元件,2. 受光照导电能力可做成各种光电器件,3. 掺入微量杂质导电能力（几十万几百万倍）可制做半导 体

2、器件。如半导体二极管、三极管、场效应及晶闸管等。,81 半导体的基础知识,一、本征半导体,纯净的半导体，单晶结构，排列整齐称为本征半导体。它是共价键结构,在常温下自由电子和空穴的形成,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,成对出现,成对消失,自由电子和空穴称为载流子,载流子导电规律,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。这是半导体导电与导体导电最本质的区别。,价电子填补空穴,二、杂质半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1、N 型半导体,自由电子,通过扩散工艺，在本征半导体中掺入微量

3、特定元素，便可形成杂质半导体。,在纯净的硅或锗晶体中掺入微量五价元素（如磷）所形成的杂质半导体称N型半导体,2、P型半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,在纯净的硅或锗的晶体中掺入微量的三价元素（如硼）所形成的杂质半导体称P 型半导体。,+4,P 区,N 区,1、 PN 结的形成扩散、漂移,采用不同的掺杂工艺，在同一块半导体单晶上形成 P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处就形成了一个PN 结。,空间电荷区,内电场方向,三、 PN结,漂移,2、 PN 结的单向导电性,内电场方向,R,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区

4、抵消一部分正空间电荷,扩散运动增强，形 成较大的正向电流，此时PN结导通,（1）外加正向电压（正向偏置）,（2） 外加反向电压（反向偏置）,P 区,N 区,内电场方向,R,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流，此时PN结截止,多数载流子的扩散运动难于进行,结论:,1. 当PN结正向偏置时，IF较大，PN结处于导通状态； 2. 当PN结反向偏置时，反向电流IR0， PN结截止； 单向导电性 3. 反向电流IR是由少数载流子产生的，对温度非常敏感,一、基本结构,82 半导体二极管,P N,1、点接触型二极管,PN结的结面积小，不能通过较大的电流，但其

5、结电容较小（一般在1pF以下），工作频率可高达100MHZ以上，因此适用于高频检波和小功率的高频整流电路。,(1) 结构,(2) 特点,2. 面接触型二极管,(2) 特点,PN结的结面积大，能够通过较大的电流，但其结电容大，因此只能在较低的频率下工作，一般仅用于整流电路,按材料二极管有硅管和锗管之分,二、伏安特性,硅管的伏安特性,反向特性,死区,IS,正向特性,UBR,Uon,iD= f (uD),击穿,死区电压（开启电压） Uon,Si 管：0.5V左右 Ge管：0.1V左右,正向电压,Si 管：0.6V0.8V Ge管：0.2V0.3V,注意,二极管的伏安特性受温度的影响。如当环境温度升高

6、时，二极管的正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。,二极管方程,UT：温度的电压当量。常温下，即T=300K（270C）时，UT= 26mV。,在反向段：当| uD | UT时，iD IS,三、主要参数,1.正向平均电流IF：是二极管长期工作时允许通过的 最大正向电流。,2. 正向工作电压UF：二极管流过额定电流时所需的 额定正向电压。,器件的参数是其各方面性能的定量描述，它是设计、分析电路，选择器件的主要依据。各种器件的参数可由手册查得。,注意,二极管的正向平均电流不得超过此值，否则可能使管子过热而烧坏。,注意,二极管导通时会有一定的正向压降，设计电路时应当充分考虑到这一点。,4. 反向电流I

7、R：二极管未击穿时的反向电流。它愈小，二极管的单向导电性愈好。由于反向电流是由少数载流子形成的，所以其受温度的影响很大。,5. 最高工作频率fM：二极管工作的上限频率。 fM的值主要取决于PN结结电容的大小，结电容愈大，则fM愈低。利用结电容变容二极管,二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、函数发生器、波形整形、元件保护（限幅、钳位、隔离）以及在数字电路中作为开关元件。,四、应用举例【例1】二极管的降压作用,RL,【例2】二极管的开关作用,220V,D1,D2,Battery,Adapter,有电时， (1)对电池充电D2 on；(2)向负载供电；(3)电池只充电不放电 没电时， (1)

8、电池放电D3 on；(2) 不能向充电器放电D1 off,D3,【例3】二极管的钳位作用,下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，求输出端Y的电位，并说明每个二极管的作用。,解： DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后，DB因反偏而截止，起隔离作用，DA起钳位作用，将Y端的电位钳制在+2.7V。,2.7V,3V,0V,D为理想二极管，E= 3V，ui = 6 sin t V，试画出 uo及uD的波形,2,ui3V时，D截止， IR = 0 ， uO= ui uD = uO3V,ui3V时，D导通， uD= 0 ， uO=3V,解：,【例4】二极管的限幅作用,

9、1、特点 稳压管实质上是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它工作于反向击穿区，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，所以这段特性可以用来稳压，因而广泛用于稳压电源与限幅电路。,83 特殊二极管一、稳压二极管,2、 稳压管的伏安特性,IZ/mA,UZ/V,0,UZ,IZmin,IZmax,伏安特性,3、 稳压管的主要参数,1.稳定电压UZ： 是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。UZ具有一定的离散性。,2. 稳定电流 IZ： 保证管子进入反向击穿区的电流。IZ=IZmin IZmax只要不超过管子的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。,3.最大允许耗散功率PZM：PZM=UZIZmax,通过上式可求出

10、Izmax。稳压管的功耗超过PZM时， 会因结温升高而烧坏。,由上式可看出，rZ愈小，管子的稳压性能愈好。,4、稳压管稳压电路,（1）电路结构,关于电路组成的说明：,（2）稳压原理,Ui或RL Uo (UZ )IZ IR UR ,（1）DZ与RL并联,（2）DZ反偏,（3）Ui Uz,（4）合适的R,二、其他特殊二极管*,1、双向稳压管 2、恒流二极管 3、触发二极管 4、肖特基二极管 5、快恢复二极管 超快恢复二极管,6、瞬态吸收二极管 7、发光/光电二极管 8、红外二极管（收/发） 9、激光二极管（收/发） 10、变容二极管,84 双极型晶体管（三极管）一、基本结构与分类,按结构划分,NP

11、N型,按材料划分,硅管,按功率划分,大功率管,按频率划分,高频管,按用途划分,放大管,PNP型,锗管,小功率管,低频管,开关管,1、NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极C,基极B,发射极E,（2）符号,（1）结构,2、PNP 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极C,发射极E,基极B,（1）结构,（2）符号,3、三极管内部结构特点,（1）基区很薄（几m几十 m）且载流子浓度很低，形成 两个靠得很近的PN结以利于电子的渡越,（2）发射区掺杂浓度很高以利于发射电子,（3）集电结的面积很大以利于收集电子,二、三极管的工作状态,以NPN管共发射极接法为例， 来

12、说明电流放大的概念。,（1）电流放大的概念,共射连接,1、放大状态,要求：VCCVBB,1、放大状态（续）,调节RB，观察IB IC及IE的变化。,1、放大状态（续）,结论：,（2）IC、IE比IB大得多。,（3）IB很小的变化可因起IC很大的变化，即IC受IB控制这就是三极管的电流控制作用。,（1）IB + IC = IE,（2）载流子运动,IE,IB,IC,N,P,N,VCC,RC,VBB,RB,ICBO,综上所述，三极管具有电流控制作用的外部条件 :,发射结正向偏置；,集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足: UBE 0 UBC VB VE,对于PNP型三极管应满足: UEB 0 U

13、CB 0 即 VC VB VE,2、饱和状态,IBICUCE,UCE0，则 ICVCC/RC 不再增加饱和,特点： 1）IB时，IC不增加 2）ICVCC/RC 3）UCE0， 4）三极管相当于短路 5）两个PN结均正偏！,3、截止状态,将VBB反向使发射结反偏 将使 IB= 0 IC= 0 三极管不导通截止,特点： 1）基极电流 IB= 0 2）集电极电流 IC= 0 3）UCE=VCC 4）三极管相当于开路 5）两个PN结均反偏！,4、开关作用,1）ui=low，T off，Lamp off,2）ui=high，T sat，Lamp light,三、三极管的特性曲线1、三极管的输入特性,U

14、CE=0时：,UCE 1V时，在相同的UBE下，IB大大减小，曲线右移，但UCE大于一定值后，曲线几乎重合。,2、三极管的输出特性,IC,IB,饱和区:发射结、集电结均正向偏置。,截止区:发射结、集电结均反向偏置。,放大区:发射结正向偏置；集电结反向偏置。,四、三极管的主要参数,1.直流放大系数,2.交流放大系数,（一）工作参数,主要参数(续),60A,0,20A,1.5,2.3,设UCE=6V， IB由40A增加为60A,IC /mA,UCE /V,IB =40A,6,主要参数(续),(1) ICBO发射极开路时集电结的反向饱和电流,3.极间反向电流,一般小功率硅管ICBO为nA级，而锗管为几A几十