第七章 常用半导体器件

1、 第二部分 电子技术 半导体器件 二极管 三极管 基本放大电路、运算放大器基本放大电路、运算放大器 逻辑电路逻辑电路 基本逻辑电路、时序逻基本逻辑电路、时序逻 辑辑 第七章第七章 常用半导体器件常用半导体器件 学习目标学习目标 熟悉半导体的导电特性及熟悉半导体的导电特性及PN结的基本知识；结的基本知识； 掌握半导体二极管的结构、工作原理、特性掌握半导体二极管的结构、工作原理、特性 曲线和主要参数；曲线和主要参数； 掌握半导体三极管的结构、工作原理、输入掌握半导体三极管的结构、工作原理、输入 输出特性和主要参数；输出特性和主要参数； 了解场效应管的结构、工作原理、伏安特性 曲线和主要参数。 第一

2、节第一节 半导体基本知识半导体基本知识 半导体：导电能力介于导体和半导体之间的材料。半导体：导电能力介于导体和半导体之间的材料。 常见的半导体材料有常见的半导体材料有硅硅、锗、硒及许多金属的氧化、锗、硒及许多金属的氧化 物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。 半导体材料的特性：半导体材料的特性： 1. 纯净半导体的导电能力很差；纯净半导体的导电能力很差； 2. 温度升高温度升高导电能力增强；热敏元件导电能力增强；热敏元件 3. 光照增强光照增强导电能力增强；光敏元件导电能力增强；光敏元件 4. 掺入少量杂质掺入少量杂质导电能力增强。导电能力增强

3、。 完全纯净、具有晶体结构的半导体完全纯净、具有晶体结构的半导体 一、本征半导体 最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同 特征是四价元素四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。 + + Si Ge 提纯的硅材料可形成单晶单晶单晶硅单晶硅 相邻原子由外层电子形成共价键共价键 共价键共价键 硅原子 价电子价电子受到激发，激发，形成自自 由电子由电子并留下空穴。空穴。 半导体中的自由电子自由电子和空空 穴穴都能参与导电半导 体具有两种载流子。 载流子的产生产生与复合：复合： 共价键 价电子 自由电子和空穴同时产生自由电子和空穴同时产生 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现， 同时又不

4、断进行复合。在一定温度下，载流子 的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度 与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多， 导电性能就愈好温度对半导体器件的性能 影响很大。 半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自 由电子并留下空穴。光强愈大，光子就愈多， 产生的载流子亦愈多，半导体导电能力增强。 故半导体器件对光照很敏感。 二. N型半导体和P型半导体 1. 本征半导体征半导体与掺杂半导体掺杂半导体 在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少 的，其导电能力相当低。 如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺掺 杂半导体杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高掺杂半导体的导电能力将大大提高。

5、 由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体掺杂半导体可分为两大两大 类类N型型半导体半导体和 P型型半导体半导体。 2. N 型半导体 当在硅或锗的晶体中掺入微量磷(或其它五价元素) 时，磷原子与周围的四个硅原子形成共价键后，磷 原子的外层电子数将是 9 ，比稳定结构多一个价电 子。 P + Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si 多余多余 电子电子 掺入掺入磷杂质的硅半导体晶体中杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目 大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式， 称之为电子半导体或N型半导体。 在N型半导体型半导体中电子电子是多多数载流子子、空穴空穴是少少数 载流子子。

6、室温情况下，本征硅中n0=p01.51010/cm3，当磷 掺杂量在106量级时，电子载流子数目将增加几 十万倍。 3. P型半导体型半导体 当在硅或锗的晶体中掺入微量硼(或其它三价元素) 时，硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后，硼 原子的外层电子数将是 7 ，比稳定结构少一个价电 子。 B + Si Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si 空穴空穴 掺硼硼半导体中，空穴空穴的数目远大于的数目远大于自由电子自由电子的数的数 目。目。空穴空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，多数载流子，自由电子是少数载流子， 这种半导体称为这种半导体称为空穴型半导体空穴型半导体或或P

7、型半导体型半导体。 一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可 达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数 目将增加几十万倍。 不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种多 数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。 第二节第二节 PN结结 不论是P型半导体还是N型半导体，都只能看做是 一般的导电材料，不具有半导体器件的任何特点。 半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措 施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和 N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。 各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成 的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件 的关键所在。 一、PN结的形成

8、 PN P区区N区区 多数载流子将扩散扩散 形成耗尽层；耗尽层； 耗尽了载流子的交 界处留下不可移动 的离子形成空间电空间电 荷区；荷区；（内电场） 一块晶片的两边分 别为P型半导体和 N型半导体。 内电场内电场阻碍了多子 的继续扩散。 P区区N区区 载流子的运动有两种形式： 扩散扩散 由于载流子浓度梯度浓度梯度引起的载流子从高浓度区 向低浓度区的运动。 漂移漂移 载流子受电场作用电场作用沿电场力方向的运动。 耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动 态平衡，这样的耗尽层就是PN结结。 PN结内电场内电场的的方方 向向由N区指向P区。 二、 PN结的单向导电性 PN结未加电压时，载流子的扩

9、散和漂移运动处于 动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定。 下面讨论加有外部电压时的PN结特性。 1. 加 正向电压正向电压 将外电源的正端接P区、 负端接N区。 外电场与内电场方向相 反，空间电荷区变窄。 漂移运动变弱，扩散运 动增强，多子形成正向 电流。 PN 内电场方向 外电场方向 + I 变窄变窄 2. 加 反向电压反向电压 将外电源的正端接N区、负端接P 区。 外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽。扩 散运动变弱，漂移运动增强，参与漂移运动的载 流子是少子，反向电流极小。 PN 内电场方向 外电场方向 + I0 变宽变宽 少子是由热激发产生的， 即温度愈高少子的数量 愈多，故温度对反向

10、电 流的影响很大。 PN结结具有具有单向导电性，单向导电性， 即即正向导通、反向截止。正向导通、反向截止。 第三节第三节 半导体二极管半导体二极管 将PN结加上电极引线及外壳，就构成了半导体二极 管。 PN结是二极管的核心，也是所有半导体器件的 核心。 一一、 二极管的结构和分类 二极管的分类 根据制造二极管的半导体材料 分为硅、锗等； 根据二极管的结构 分为点接触、面接触等； 根据二极管的工作频率 分为低频、高频等； 根据二极管的功能 分为检波、整流、开关、 变容、发光、光敏、触发及隧道二极管等； 根据二极管的功率特性 分为小功率、大功率 二极管等； 二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性

11、 既然二极管二极管是由 PN 结结构成的， 它自然具有着单向导电性。某 种硅二极管的电流电压关系 (伏安特性)可见图示： 由电压零点分为正向区正向区和反向区反向区 正向正向 由死区电压死区电压分为死区和导 通区；(Si0.5V Ge0.2V) U(V) 0.400.8 -50-25 I (mA) 20 40 60 (A) 40 20 反向反向 由击穿电压击穿电压分为截止区和 击穿区； 三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数 二极管的特性不仅可用伏安曲线表示，也可用一 些数据进行说明这些数据就是二极管的参数。二 极管的主要参数有： 1. 最大整流电流最大整流电流 IOM 二极管长时间使用所允许

12、通 过的最大正向平均电流。 2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压 URWM 保证二极管不被击穿 而给出的反向峰值电压，为反向击穿电压的1/2至 2/3。 3. 反向峰值电流反向峰值电流 IRM 二极管加反向峰值电压时的 反向电流值。该值愈大说明二极管的性能愈差， 硅管的此参数值为微安级以下。 例例 如图由RC构成微分电路， 当输入电压ui为矩形波时，试 画出输出电压uo的波形。(设uc0 =U0) C C R D RLuiuRuo ui t o uR t o uo t o U 稳压管稳压管 稳压管是一种特殊的面接触型二极稳压管是一种特殊的面接触型二极 管。它在电路中常用作稳定电压的管。它在电

13、路中常用作稳定电压的 作用，故称为稳压管。作用，故称为稳压管。 稳压管的图形符号： 稳压管的伏安特性： U(V) 0.4 0 0.8 -8-4 I (mA) 20 40 10 -20 -10 30 -12 反向 正向 稳压管的伏安特性曲线与 普通二极管类似，只是反 向曲线更陡一些。 U(V) 0.4 0 0.8 -8-4 I (mA) 20 40 10 -20 -10 30 -12 反向 正向 稳压管的使用： 稳压管工作于反向击穿区， 常见电路如下。 U i R U o R L 在电路中稳压管是反向联接的。当 U i大于稳压管的击穿电压时，稳压 管被击穿，电流将增大，电阻R两 端的电压增大，在

14、一定的电流范围 内稳压观两端的电压基本不变，输 出电压U i等于U z 。 稳压管的主要参数： 1.稳定电压Uz 指稳压管正常工作时的端电指稳压管正常工作时的端电 压压。（其数值具有分散性） 2.稳定电流IZ 正常工作的参考电流值。正常工作的参考电流值。 低于此值稳压效果差。在不超过 额定功率的前提下，高于此值稳 压效果好，即工作电流越大稳压 效果越好。 U(V) 0 I (mA) 反向 正向 UZ IZ 3.动态电阻rZ 稳压管子端电压和通过其电 稳压管子端电压和通过其电 流的变化量之比。流的变化量之比。稳压管的反向 伏安特性曲线越陡，则动态电阻 越小，稳压效果越好。 U(V) 0 I (m

15、A) 反向 正向 UZ IZ Z Z Z I U r IZmax IZ UZ 4.最大允许耗散功耗 PZM 保证稳压管不发生热击穿的最保证稳压管不发生热击穿的最 大功率损耗。大功率损耗。 其值为稳定电压和允许的最大电流 乘积 maxZZZM IUP 5.电压温度系数 U 说明稳压值受温度影响的参数。 如：稳压管2CW18的电压温度系数为0.095% / C 假如在20 C时的稳压值为11V，当温度升高到 50 C时的稳压值将为 V3 .1111)2050( 100 095. 0 11 特别说明：特别说明：稳压管的电压温度系数电压温度系数有正负之别。 0V6U V6U 0V6U UZ UZ UZ

16、 很小 因此选用6V左右的稳 压管，具有较好的温 度稳定性。 第四节第四节 半导体三极管半导体三极管 半导体三极管半导体三极管(晶体管晶体管)是最重要的一种半导体器件。是最重要的一种半导体器件。 广泛应用于各种电子电路中。广泛应用于各种电子电路中。 一、 基本结构 晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。平面 型都是硅管、合金型主要是锗管。它们都具有NPN 或PNP的三层两结三层两结的结构，因而又有NPN和PNP两 类晶体管。 其三层分别称为发射区、基区和集电区，并引出发发 射极射极(E)、基极基极(B)和集电极集电极(C)三个电极。三层之间 的两个PN结结分别称为发射结发射结和集电结集电结。

17、 本节介绍晶体管的结构、特性及参数的内容。 N型硅型硅 P型型N型型 二氧化硅保护膜 C BE N型锗 铟球 铟球 P型 P型 C E B 平面型结构合金型结构 N N P 发射结发射结 集电结集电结 发射区发射区 集电区集电区 基区基区 E B C N P P 发射区发射区 集电区集电区 基区基区 发射结发射结 集电结集电结 E B C B E C B E C 二二、 电流分配和放大原理电流分配和放大原理 NPN型和PNP型晶体管的工作原理相似，本章只讨论前者。 如图，对NPN型晶体管加EB和 EC两个电源，接成共发射极接法共发射极接法 构成两个回路。 通过实验及测量结果，得： (1). B

18、CE III (2). IC(或IE)比IB大得多， (如表中第三、四列数据) 5.37 04.0 50.1 B C I I 3.38 06.0 30.2 I I B C IB(mA) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC(mA) 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 IE(mA) 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 40 02. 0 80. 0 04. 006. 0 50. 130. 2 I I B C (4). 要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏 置、集电结必须反向偏置具有放大作用的外具有放大作用的外 部条件部条件

19、。 这就是晶体管的电流放大作用，IB的微小变化可以 引起IC的较大变化(第三列与第四列的电流增量比)。 IB(mA) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC(mA) 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 IE(mA) 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 (3). 当IB=0(基极开路)时，也很小(约为1微安以下)。 1、发射区向基区扩散电子发射区向基区扩散电子 电流放大作用原理 内部载流子运动规律 发射结处于正向偏置，掺杂 浓度较高的发射区向基区进 行多子扩散。 放大作用的内部条件放大作用的内部条件： 基区很薄且掺杂浓度很低

20、。 2、电子在基区的扩散和复合电子在基区的扩散和复合 基区厚度很小，电子在基区 继续向集电结扩散。（但有 少部分与空穴复合而形成IBE IB） 3.电区收集扩散电子电区收集扩散电子 集电结为反向偏置使内电场内电场增强，对从基区扩散进 入集电结的电子具有加速作用而把电子收集到集电 区，形成集电极电流(ICE IC)。 由电流分配关系示意图可 知发射区向基区注入的电 子电流IE将分成两部分ICE 和IBE，它们的比值为 B C CBOB CBOC BE CE I I II II I I 它表示晶体管的电流放大 能力，称为电流放大系数。 在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小 变化时还会引起

21、IC的较大变化。 根据晶体管放大的外部条件，发射结必须正向 偏置，集电结必须反向偏置。则 对于NPN型晶体管 0 BE U0 CE U且 BECE UU 对于PNP型晶体管 0 BE U0 CE U且 BECE UU 三、 特性曲线 晶体管的特性曲线是表示一只晶体管各电极电压 与电流之间关系的曲线。是应用晶体管和分析放 大电路的重要依据。 最常用的是共发射极共发射极接法的输入特性曲线输入特性曲线和输出输出 特性曲线，特性曲线，实验测绘是得到特性曲线的方法之一。 特性曲线的测量电路见右图。 A V mA V EC RB IB UCE UBE IC EB 用晶体管特性图示仪 也可直接测量及显示 晶体管的各个特性曲特性曲 线。线。 1. 输入特性曲线输入特性曲线 输入特性曲线输入特性曲线当UCE为常数时的IB与UBE之间的关系 曲线。(参见右图) 0 0.4 20 0.8 40 60 80 UBE(V) IB(