第一章 半导体器件

1、 一、理解一、理解PN结的单向导电性，晶体管的电流结的单向导电性，晶体管的电流 分配和电流放大作用；分配和电流放大作用； 二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构 造、工作原理和特性曲线，理解主要参造、工作原理和特性曲线，理解主要参 数数 的意义；的意义； 三、会分析含有二极管的电路。三、会分析含有二极管的电路。 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 一、本征半导体一、本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征本征 半导体。半导体。 1、本征半导体的晶体结构

2、、本征半导体的晶体结构 晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式 Si Si Si Si Si Si 硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构 Si Si Si Si Si Si 共价键：共价键：相邻两个原子共相邻两个原子共 用一对最外层电子（价电用一对最外层电子（价电 子）的组合称为共价键。子）的组合称为共价键。 自由电子自由电子：共价键中的电子获得：共价键中的电子获得 一定能量（温度升高或受光照）一定能量（温度升高或受光照） 后，挣脱共价键的束缚（后，挣脱共价键的束缚（本征激本征激 发发），形成自由电子。），形成自由电子。 空穴空穴：电子挣脱共价键的束：电子挣脱共价键的束 缚形成自由电子后

3、，共价键缚形成自由电子后，共价键 中留下一个空位，称为空穴。中留下一个空位，称为空穴。 空穴带正电。空穴带正电。 一、本征半导体一、本征半导体 2、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子 电子电子 载流子载流子 空穴空穴 本征半导体本征半导体 中的电流中的电流 电子电流电子电流 空穴电流空穴电流 外电场作用外电场作用 3、本征半导体中载流子的浓度、本征半导体中载流子的浓度 （1 1）自由电子和）自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复空穴成对地产生的同时，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

4、定的数目。平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。 （2 2）本征半导体中载流子数目极少）本征半导体中载流子数目极少, , 其导电性能很差；其导电性能很差； （3 3）温度愈高，）温度愈高， 载流子的数目愈多载流子的数目愈多, ,半导体的导电性半导体的导电性 能也就愈好。能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 一、本征半导体一、本征半导体 一、本征半导体一、本征半导体 二、二、P型半导体和型半导体和N型半导体型半导体 掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按 掺入杂质元素不同，可形成掺入杂质元素不同，可

5、形成P 型半导体和型半导体和N型半导体。型半导体。 1、P型半导体型半导体( (三价元素）三价元素）B原子与相邻的原子与相邻的Si原原 子形成共价键时，子形成共价键时， 少一个电子而形成少一个电子而形成 一个空位（中性）一个空位（中性） 相邻原子中的价电相邻原子中的价电 子很容易受到热或子很容易受到热或 其他的激发填补这其他的激发填补这 个空位，产生一个个空位，产生一个 空穴空穴 B- B原子接受原子接受 一个电子一个电子 形成带负形成带负 电的离子电的离子 多数载流子多数载流子-空穴空穴 少数载流子少数载流子自由电子自由电子 2、N型半导体型半导体( (五价元素）五价元素） P原子与相邻的原

6、子与相邻的Si 原子形成共价键原子形成共价键 时，多一个电子时，多一个电子 在常温下多余电在常温下多余电 子很容易形成自子很容易形成自 由电子由电子 P+ P原子失去原子失去 一个电子一个电子 形成带正形成带正 电的离子电的离子 多数载流子多数载流子-自由电子自由电子 少数载流子少数载流子-空穴空穴 二、二、P型半导体和型半导体和N型半导体型半导体 注意注意 二、二、P型半导体和型半导体和N型半导体型半导体 二、二、P型半导体和型半导体和N型半导体型半导体 三、三、PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1、PN结的形成结的形成 多子的扩散运动多子的扩散运动 内电场内电场 少子的漂移运动少子的漂

7、移运动 浓度差浓度差 扩散的结果使空间扩散的结果使空间 电荷区变宽。电荷区变宽。 空间电荷区空间电荷区 也称也称 PN 结结 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空间电荷区形成空间电荷区 2、PN结的单向导电性结的单向导电性 （1） PN 结外加正向电压导通结外加正向电压导通 PN 结变窄结变窄 外电场外电场IF 内电场内电场 P N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 三、三、PN结及其单向导电性结及其单向导电性 （2） PN 结外加反向电压截止结外加反向电压截止 + 内电场被加内电场被加

8、 强，少子的漂强，少子的漂 移加强，由于移加强，由于 少子数量很少，少子数量很少， 形成很小的反形成很小的反 向电流。向电流。IR 三、三、PN结及其单向导电性结及其单向导电性 一、基本结构一、基本结构 触丝触丝 阳极引线阳极引线 N型锗片型锗片 阴极引线阴极引线 外壳外壳 ( a ) 点接触型点接触型 结面积小、结电容小、正向结面积小、结电容小、正向 电流小，高频性能好。一般用电流小，高频性能好。一般用 于高频小功率的电路或数字电于高频小功率的电路或数字电 路中的开关元件。路中的开关元件。 铝合金小球铝合金小球 N型硅型硅 阳极引线阳极引线 PN结结 金锑合金金锑合金 底座底座 阴极引线阴极

9、引线 ( b ) 面接触型面接触型 结面积大、正向电流大、结结面积大、正向电流大、结 电容大，工作频率较低，一般电容大，工作频率较低，一般 用于低频电路或整流电路。用于低频电路或整流电路。 阴极阴极阳极阳极 (c)(c) 符号符号 D 二、伏安特性二、伏安特性 反向击穿反向击穿 电压电压U(BR) 导通压降导通压降 外加电压大于死区电外加电压大于死区电 压二极管才能导通。压二极管才能导通。 外加电压大于反向击穿电压二极外加电压大于反向击穿电压二极 管被击穿，失去单向导电性。管被击穿，失去单向导电性。 正向特性正向特性 反向特性反向特性 U I 死区电压死区电压P N + P N + 反向电流在

10、反向电流在 一定电压范围一定电压范围 内保持常数。内保持常数。 三、主要参数三、主要参数 1. 最大整流电流最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均 电流。电流。 2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URM 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二 极管反向击穿电压极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向的一半或三分之二。二极管击穿后单向 导电性被破坏，甚至过热而烧坏。导电性被破坏，甚至过热而烧坏。 3. 反向峰值电流反向峰值电流IRM 指在室

11、温时，二极管承受最高反向工作电压时的反向漏电指在室温时，二极管承受最高反向工作电压时的反向漏电 流。反向电流小，说明管子的单向导电性越好，流。反向电流小，说明管子的单向导电性越好，IRM受温度的受温度的 影响，温度越高反向电流越大。影响，温度越高反向电流越大。 例例 题题 例例1-1 已知电路如图所示，已知电路如图所示，VDA和和VDB为硅二极管，为硅二极管， 若若UA=3V，UB=0V时，求输出端时，求输出端F的电压值的电压值UF。 解：两个二极管存在优先导解：两个二极管存在优先导 通现象。通现象。 VDB优先导通优先导通 VDA反向截止。反向截止。 UF=UB+0.7=0.7V 例例1-2

12、 电路如图所示，已知电源电压电路如图所示，已知电源电压US=5V， 输入信输入信 号号ui=10sint V，设二极管为理想元件，试画出输出设二极管为理想元件，试画出输出 电压电压uo的波形。的波形。 例例 题题 解：解：理想二极管正向导通压降为理想二极管正向导通压降为 0，反向截止漏电流为，反向截止漏电流为0。 当当ui US时二极管导通，时二极管导通， 输出电压输出电压 uo = US = 5V； 当当ui US时二极管导通，输出电压时二极管导通，输出电压 uo = US = 5V； 当当ui 1V UBE/V IB/A （1）当）当UCE =0 时，相当于两个时，相当于两个PN 结并联，

13、此时的输入特性曲线与二结并联，此时的输入特性曲线与二 极管的正向伏安特性曲线相似；极管的正向伏安特性曲线相似； （2）当）当UCE0 时，输入特性曲线时，输入特性曲线 将向右移，即在将向右移，即在UBE一定时，一定时，IB将将 随着随着UCE的增大而减小；的增大而减小； （3）当）当UCE1V时，输入特性曲线重合；时，输入特性曲线重合； （4）存在一段死区）存在一段死区 当发射结电压大于死区电压时，才会有电流当发射结电压大于死区电压时，才会有电流iB。 三、三、 特性曲线特性曲线 2、输出特性曲线、输出特性曲线 UCE / V IC / mA IB=0 IB=20A IB=40A IB=60A

14、 IB=80A IB=100A 0 36912 1 2 3 4 1.5 2.3 输出特性是指当基极电流输出特性是指当基极电流IB为常数时，输出电路为常数时，输出电路 集电极电流集电极电流IC与集射极电压与集射极电压UCE之间的关系。之间的关系。 常数常数 B ICEC UfI IB一定时，当一定时，当UCE很小时，很小时， 集电结的反向电压很小，对集电结的反向电压很小，对 发射区扩散到基区的电子吸发射区扩散到基区的电子吸 引力不够，故引力不够，故IC很小。很小。 IC随随 UCE的增加显著增加。当的增加显著增加。当 UCE1V时，电子绝大部分时，电子绝大部分 被拉入集电区，所以被拉入集电区，所

15、以UCE再再 增大，增大，IC也无明显变化。也无明显变化。 三、三、 特性曲线特性曲线 UCE / V IC / mA IB=0 IB=20A IB=40A IB=60A IB=80A IB=100A 0 36912 1 2 3 4 1.5 2.3 截止区截止区 通常输出特性曲线通常输出特性曲线 分为三个区：分为三个区： （1）截止区）截止区 IB0曲线以下的区曲线以下的区 域，域，uBE0.5V晶体管截晶体管截 止，可靠截止止，可靠截止uBE 0V； 发射结反偏，集电结反发射结反偏，集电结反 偏。偏。 （2）放大区）放大区 放大区放大区 输出特性曲线近于水平部分的区域，也称为线性区。在放大输

16、出特性曲线近于水平部分的区域，也称为线性区。在放大 区，区， ， IB和和IC成正比的关系。成正比的关系。发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。 BC II 饱和区饱和区 UCE / V IC / mA IB=0 IB=20A IB=40A IB=60A IB=80A IB=100A 0 36912 1 2 3 4 1.5 2.3 放大区放大区 截止区截止区 三、三、 特性曲线特性曲线 （3）饱和区）饱和区 在特性曲线靠近纵坐标轴的区域，此时在特性曲线靠近纵坐标轴的区域，此时UCE UBE ，发射发射 结正偏，集电结正偏结正偏，集电结正偏。 三、三、 特性曲线特性曲线 RB EB E

17、C=UCC RC IB IC UBE UCE + + - - B C E CCCCCE RIUU EC一定，如果增大一定，如果增大IB，IC 随之增大，随之增大，RC上的压降也增上的压降也增 大，大，UCE相应减小。相应减小。 当当UCE下降到接近甚至低于下降到接近甚至低于UBE时，集电结由反偏转时，集电结由反偏转 为零甚至正偏，集电结失去收集电子的能力，这时为零甚至正偏，集电结失去收集电子的能力，这时IC将将 不再随不再随IB的增大而增加，这种现象称为饱和。的增大而增加，这种现象称为饱和。 BC II 深度饱和时，深度饱和时， C CC CCE R U IVU ,0 三、三、 特性曲线特性曲

18、线 例例1-4 图示电路中，设晶体管的电流放大系数图示电路中，设晶体管的电流放大系数 =50， UBE=0.7V，EC=12V，RC=6k，RB=50k。当。当UI= 2V、6V和和2V时，试判断晶体管的工作状态。时，试判断晶体管的工作状态。 RB EC RC IB IC UCE + - UI + - V 解：解： （1）当）当UI=2V 发射结处于反偏，晶体管处于发射结处于反偏，晶体管处于 截止状态，截止状态，IB=0，IC=0，UCE=EC （2）当）当UI=6V 发射结处于正向导通发射结处于正向导通 mAmA R UU I B BEI B 11. 0 50 7 . 06 三、三、 特性曲

19、线特性曲线 RB EC RC IB IC UCE + - UI + - V 基极临界饱和电流为：基极临界饱和电流为： mAmA R E R UE I C C C CEC BS 04. 0 650 12 IBIBS，晶体管处于饱和状态。，晶体管处于饱和状态。 （3）当）当UI2V BS B BEI B ImAmA R UU I 03. 0 50 7 . 02 晶体管工作在放大状态。晶体管工作在放大状态。 三、三、 特性曲线特性曲线 例：例： 测得放大电路中晶体管的直流电位如图所示。测得放大电路中晶体管的直流电位如图所示。 在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗在圆圈中画出管子，并分别说明它

20、们是硅管还是锗 管。管。 12V 3V 3.7V V B C E 硅管硅管 12V 14.8V 15V V B C E 锗管锗管 四、四、 主要参数主要参数 1.电流放大系数电流放大系数 、 B C _ I I 当晶体管接成发射极电路时，当晶体管接成发射极电路时， B C I I 例例1-5 在下图中所给出在下图中所给出3DG100晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 上，（上，（1）计算）计算Q1点处的点处的 ；（；（2）由）由Q1和和Q2两点，计两点，计 算算 。 1.5 2.3 解：解： （1）在）在Q1点处点处 mAI AI VU C B CE 5 . 1 ,40 ,6 5 .37

21、 04. 0 5 . 1 B C I I 四、四、 主要参数主要参数 1.5 2.3 （2）由）由Q1 、Q2两点两点 40 04. 006. 0 5 . 13 . 2 B C I I 四、四、 主要参数主要参数 四、四、 主要参数主要参数 2.集集- -基极反向饱和电流基极反向饱和电流 ICBO ICBO是当发射极开路时由于集电结处于反向偏置，是当发射极开路时由于集电结处于反向偏置， 集电区和基区的少数载流子向对方漂移运动所形成的集电区和基区的少数载流子向对方漂移运动所形成的 电流。电流。 3.集集- -射极反向饱和电流射极反向饱和电流 ICEO ICEO是当基极开路，集电结处于反向偏置和发

22、射结是当基极开路，集电结处于反向偏置和发射结 处于正向偏置时，集电极与发射极间的反向电流。处于正向偏置时，集电极与发射极间的反向电流。 4.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 集电极电流集电极电流IC超过一定值时，晶体管的超过一定值时，晶体管的值要减小。值要减小。 ICM表示当表示当值下降到正常数值的三分之二时的集电极值下降到正常数值的三分之二时的集电极 电流。电流。 5. 集集- -射极反向击穿电压射极反向击穿电压U(BR)CEO 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许 电压。当晶体管的集射极电压电压。当晶体管的集射极电压UCE 大于大于U(BR) CEO时，时， ICEO突然大幅度上升，说明晶体管已被击穿。突然大幅度上升，说明晶体管已被击穿。 6. 集电极最大允许