第六章常用半导体器件

1、常用半导体器件常用半导体器件6.1 二极管二极管导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。相邻原子共有价电子所形成的束缚。相邻原子共有价电子所形成的束缚。一、本征半导体一、本征半导体 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位个空位( (空穴空穴) )的过程。的过程。+4+4+4+4硅硅( (锗锗) )的原子结构的原子结构Si2 8 4Ge2

2、8 18 4简化简化模型模型+4惯性核惯性核硅硅( (锗锗) )的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子( (束缚电子束缚电子) )空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。两种载流子两种载流子电子电子( (自由电子自由电子) )空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子( (在共价键以外在共价键以外) )的运动的运动空穴空穴( (在共价键以内在共价键以内) )的运动的运动IIPI

3、NI = IP + IN+ 电子和空穴两种电子和空穴两种载流子参与导电载流子参与导电 在外电场的在外电场的作用下，自由电作用下，自由电子逆着电场方向子逆着电场方向定向运动形成定向运动形成电电子电流子电流IN 。空穴。空穴顺着电场方向移顺着电场方向移动，形成动，形成空穴电空穴电流流IP 。 结论结论:1. 本征半导体中电子空穴成对出现本征半导体中电子空穴成对出现, 且数量少；且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外 界条件有关界条件有关。 本征半导体中

4、由于载流子数量极少，导电能力本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如果有控制、有选择地掺入很弱。如果有控制、有选择地掺入的有用的有用（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的有特定导电性能的。二、二、N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元在硅或锗的晶体中掺入五价元 素素。N 型型磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数+5+4+4+4+4+4正离子正离子多数载流多数载流子子少数载流少数载流子子N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示P

5、型型硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数三、三、P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元素在硅或锗的晶体中掺入三价元素。+4+4+4+4+4+3P型半导体的简化图示型半导体的简化图示多数载流多数载流子子少数载流少数载流子子负离子负离子一、一、PN结的形成结的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散载流子的浓度差引起多子的扩散2. 复合使交界面形成空间电荷区复合使交界面形成空间电荷区无载流子、阻止扩散进行、利于少子的漂移。无载流子、阻止扩散进行、利于少子的漂移。3. 扩散和漂移达到动态平衡扩散和漂移达到动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等

6、于漂移电流， 总电流总电流 I = 0。内电场内电场由浓度差引起的载流子运动。由浓度差引起的载流子运动。载流子在电场力作用下引起的运动。载流子在电场力作用下引起的运动。二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性1. 外加外加正向正向电压电压( (正向偏置正向偏置) ) forward biasP 区区N 区区内电场内电场+ UR外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。 IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF 。IF = I多子多子 I少子少子 I多子多子2. 外加外加反向反向电

7、压电压( (反向偏置反向偏置) ) reverse bias P 区区N 区区 +UR内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动， 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR = I少子少子 0PN 结单向导电结单向导电构成：构成： PN结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管 (Diode)符号：符号：常见的外形如图所示： 二极管的

8、几种外形 箭头符号表示箭头符号表示PN结正偏时电流的流向结正偏时电流的流向 P区的引出线称为，N区的引出线称为。 分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金平面型平面型正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型pNP型支持衬底型支持衬底OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD = 0Uth =

9、 0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth 反向特性反向特性U (BR)反向击穿反向击穿U（BR) U 0 iD 0.1 A(硅硅) 几十几十 A (锗锗)U E1 ，D1正偏导通，D2仍截止，uo=3.7V。 当ui为负半周时，uiE2，二极管D1、D2均截止，输出电压uo=ui；若uiE2，D2正偏导通，D1截止，uo=3.7V。 3、钳位电路、钳位电路 将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负荷变动影响的电路叫将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负荷变动影响的电路叫。 这种电路可组成二极管门电路，实现逻辑运算。这种电路可组成二

10、极管门电路，实现逻辑运算。 4、检波电路、检波电路 检波就是将低频信号从已调制信号（高频信号）中取出的电路检波就是将低频信号从已调制信号（高频信号）中取出的电路 。一、理想二极管一、理想二极管特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD= 0 ; 反偏截止，反偏截止， iD= 0二、实际二极管二、实际二极管uDiD硅管硅管 0.7 V锗管锗管 0.2 V二极管正的二极管正的向工作电压向工作电压例例: 硅二极管，硅二极管，R = 2 k ，求出，求出 VDD = 2 V 时时 IO 和和 UO 的值。（忽略二极管正的向工作电压）的值。（忽略二极管正的向工作电压）UOV

11、DDIOR解：解：VDD = 2 V IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA)UO = VDD = 2 VUOVDDIOR例例: ui = 2 sin t (V), 分析二极管的限幅作用分析二极管的限幅作用（二极管的死区电压为（二极管的死区电压为0.5V，正向工作电压正向工作电压0.7V）。）。D1D2uiuOR 0.7 V ui 0.7 VD1、D2 均截止均截止uO= uiuO= 0.7 Vui 0.7 VD2 导通导通 D截止截止ui 0.7 VD1 导通导通 D2 截止截止uO= 0.7 VOtuO/ V0.7Otui / V2 0.7解：解：例例: 二极管构成二极管

12、构成“门门”电路，设电路，设 D1、D2 均为理想二均为理想二极管，当输入电压极管，当输入电压 UA、UB 为低电压为低电压 0 V 和高电压和高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压 UF 的值。的值。0 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 VFR3 k 12 VD1D2BAUAUBUFR3 k 12 VVDDD1D2BAF输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出电压电压UAUBD1D20 V 0 V正偏正偏导通导

13、通正偏正偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 V一、一、 目测判别极性目测判别极性触丝触丝半导体片半导体片二、用万用表检测二极管二、用万用表检测二极管( (1) )用指针式万用表检测用指针式万用表检测在在 R 1 k 挡进行测量，挡进行测量，红红表笔是表笔是( (表内电源表内电源) )负极，负极，黑黑表笔是表笔是( (表内电源表内电源) )正极。正极。测量时手不要接触引脚。测量时手不要接触引脚。一般硅管正向电阻为几千欧，锗管一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧

14、。正向电阻为几百欧。正反向电阻相差不大为劣质管。正反向电阻相差不大为劣质管。正反向电阻都是无穷大或零则二极正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。管内部断路或短路。 1k 0 0 0( (2) ) 用数字式万用表检测用数字式万用表检测红红表笔是表笔是( (表内电源表内电源) )正极，正极，黑黑表笔是表笔是( (表内电源表内电源) )负极。负极。2k20k200k2M20M200 在在 挡进行测量，当挡进行测量，当 PN 结结完好且正偏时，显示值为完好且正偏时，显示值为PN 结两端的正向压降结两端的正向压降 ( (V) )。反偏。反偏时，显示时，显示 。一、发光二极管一、发光二极管工作条

15、件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几一般工作电流几十十mA，导通电压，导通电压 (1 2) V符号符号电学参数：电学参数：I FM ，U(BR) ，IR光学参数：光学参数：峰值波长峰值波长 P，亮度亮度 L，光通量光通量 发光类型：发光类型： 可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型： 普通普通不可见光：不可见光：红外光红外光，点阵，点阵 LED七段七段 LED每字段是一只每字段是一只发光二极管发光二极管 低电平驱动低电平驱动数码管数码管1. 共阳极共阳极abcdefg 高电平驱动高电平驱动2. 共阴极共阴极abcdefgaebcfgdcomcom二、光电二极管二、光电二

16、极管1符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E = 200 lxE = 400 lx工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置2. 主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长三、变容二极管三、变容二极管工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置特点：特点：是结电容随反偏电压的变化而变化 四、稳压二极管四、稳压二极管 稳压管是一种特殊的面接触稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。型半导体硅二极管。符号符号工作条件：反向击穿工作条件：反向击穿I/mAUZ /VOUZIZ

17、IZM+ 正向正向 +反向反向 UZ IZ稳压管是怎么实现稳稳压管是怎么实现稳压作用的？压作用的？ 回顾二极管的反向击穿时特性：回顾二极管的反向击穿时特性：当反向当反向电压超过击穿电压时，流过管子的电流会急电压超过击穿电压时，流过管子的电流会急剧增加。剧增加。 击穿并不意味着管子一定要损坏，如果击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。就能保证管子不因过热而烧坏。 在反向击穿状态下，让在反向击穿状态下，让流过管子的电流在一定流过管子的电流在一定的范围内变化，这时管的范围内变化，这时管子两端电压变化很

18、小，子两端电压变化很小，利用这一点可以达到利用这一点可以达到“稳压稳压”的效果。的效果。1. 稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2. 稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，小于越大稳压效果越好，小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3. 最大工作电流最大工作电流 IZMP ZM = UZ IZM5. 动态电阻动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。4. 最大耗散功率最大耗散功率 PZM学习与探讨学习与探讨 怎样用万用表测怎样用万用表测量二极管的好坏量二极管的好坏？怎样判断其阴？怎样判断其阴极

19、和阳极？极和阳极？ 为什么发光二极管为什么发光二极管必须正向偏置，而必须正向偏置，而光电二极管却要反光电二极管却要反向偏置？向偏置？ 已知两只硅稳压管的已知两只硅稳压管的稳定电压值分别为稳定电压值分别为8V和和7.5V，若将它们串，若将它们串联使用，问能获得几联使用，问能获得几组不同的稳定电压值组不同的稳定电压值？若并联呢？若并联呢？ 6.2 三极管三极管晶体管（晶体管（三极管三极管）是最重要的一种半导体器件。）是最重要的一种半导体器件。部分三极管的外型部分三极管的外型一、结构一、结构N型硅型硅BECN型硅型硅P型硅型硅（a） 平面型平面型二氧化硅保护二氧化硅保护膜膜N型锗型锗ECBPP（b）

20、合金型）合金型铟球铟球铟球铟球三层半导体材料构成三层半导体材料构成NPN型、型、PNP型型NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型ECB各区主要作用及结构特点：各区主要作用及结构特点：发射区：发射区：作用：作用：发射载流子发射载流子 特点：特点：掺杂浓度高掺杂浓度高基区：基区：作用：作用：传输载流子传输载流子 特点：特点：薄、掺杂浓度低薄、掺杂浓度低集电区：集电区：作用：作用：接收载流子接收载流子 特点：特点：面积大面积大 常见三极管的类型 PPNEBC按材料分：按材料分

21、： 硅管、锗管硅管、锗管按结构分：按结构分： NPN、 PNP按使用频率分：按使用频率分： 低频管、高频管低频管、高频管按功率分：按功率分：小功率管小功率管 1 WECBPNP 型型二、类型二、类型一、晶体管放大的条件一、晶体管放大的条件1.内部条件内部条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大2.外部条件外部条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏二、晶体管的电流分二、晶体管的电流分 配和放大作用配和放大作用实验电路实验电路mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6 A mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6 A1.测量结

22、果测量结果IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA 0.0010.501.001.602.202.90IE/mA 0.0010.511.021.632.242.95IC/ IB5050535558IC/ IB50606070(1)BCEIII 符合符合KCL定律定律(2) IC和和IE比比IB大得多大得多(3) IB 很小的变化可以引起很小的变化可以引起 IC很很大的变化。大的变化。 即：即：2.晶体管内部载流子的运动规律晶体管内部载流子的运动规律I CEIEI BEI CBOIBIC 由于发射结处于正向偏置，发射区由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断

23、扩散到基的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流射极电流IE。2、电子在基区的扩散和复合过程：、电子在基区的扩散和复合过程： 由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。部分都能扩散到集电结边缘。IB = IBE ICBO IBE IB + ICBOI CEIEI BEI CBOIBIC 由于集电结反向偏置，可将从发射区扩由于集电结反

24、向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流区，从而形成较大的集电极电流IC。极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。这就是三极管的电流放大作用。IC比比IB大数十至数百倍，因而大数十至数百倍，因而IB虽然很小，虽然很小，但对但对IC有控制作用，有控制作用，IC随随IB的改变而改变，即的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电基极电流较小的变化可以引起集电I C = ICE + ICBO 3

25、. 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系 当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB = I BN ICBO IC = ICN + ICBOBNCNII BCEIII BC II BE )1(II CBOBCBOCIIII BCII (直流电流放大倍数）直流电流放大倍数） 1.晶体管在发射结正向偏置、晶体管在发射结正向偏置、集电结反向偏置的条件下具有电流集电结反向偏置的条件下具有电流放大作用。放大作用。 2.晶体管的电流放大作用，实晶体管的电流放大作用，实质

26、上是基极电流对集电极电流的控质上是基极电流对集电极电流的控制作用。制作用。一、伏安特性一、伏安特性输入输入回路回路输出输出回路回路常数常数 CE)(BEBuufi0CE u与二极管特性相似与二极管特性相似RCECiBIERB+uBE +uCE EBCEBiC+ + + iBRB+uBE EB+ BEuBiO0CE uV 1CE u0CE uV 1CE u特性基本特性基本重合重合( (电流分配关系确定电流分配关系确定) )特性右移特性右移( (因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子) )导通电压导通电压 UBESi 管管: (0.6 0.8) VGe管管: (0.2 0.3) V取取 0.7

27、V取取 0.2 VEB+ RB2、输出特性、输出特性常数常数 B)(CECiufi1.调整调整RB使基极电流为某一数值使基极电流为某一数值。2.基极电流不变，调整基极电流不变，调整EC测量测量集集电极电流和电极电流和uCE 电压。电压。输出特性曲线输出特性曲线50 A40 A30 A10 AIB = 020 AuCE /VO 2 4 6 8 4321iC / mAmAICECIBRBEBCEB3DG6 ARCV+uCE iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区ICEO（1）放大区：发射极正向偏

28、置，）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置。集电结反向偏置。（2）截止区：发射结反向偏置，集）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置。电结反向偏置。 （3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置BCii0 0CBii；iB0，uBE0，uCEuBEBCiiBCii输出特性曲线输出特性曲线深度饱和时：深度饱和时：0.3 V ( (硅管硅管) )U CE为：为：0.1 V ( (锗管锗管) )1.共发射极共发射极电流放大系数电流放大系数iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 00 2 4 6 8 4321 BC一般为几十

29、一般为几十 几百几百Q82A1030A1045. 263 80108 . 0A1010A10)65. 145. 2(63 2.极间反向饱和电流极间反向饱和电流CB极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICBO，CE极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICEO。二、主要参数及使用常识二、主要参数及使用常识（1）直流电流放大系数）直流电流放大系数（2）交流电流放大系数）交流电流放大系数 BCII 3.极限参数极限参数（1） ICM 集电极最大允许电流，超过时集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。值明显降低。U( (BR) )CBO 发射极开路时发射极开路时 C、B极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。（

30、2） PCM 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PC = iC uCE。（3）U( (BR) )CEO 基极开路时基极开路时 C、E极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U( (BR) )EBO 集电极极开路时集电极极开路时 E、B极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U( (BR) )CBO U( (BR) )CEO U( (BR) )EBOiCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 区区半导体三极管的半导体三极管的测试与应用测试与应用6.3.2 半导体器件的命名方式半导体器件的命名方式6.3.1 半导体三极管使用的基本知识半导体三极管使用的基本知识6.3.1

31、 半导体三极管使用基本知识半导体三极管使用基本知识一、外型及引脚排列一、外型及引脚排列EBCEB CEBCBEC二、万用表检测晶体三极管的方法二、万用表检测晶体三极管的方法1. 根据外观判断极性；根据外观判断极性；3. 用万用表电阻挡测量三极管的好坏，用万用表电阻挡测量三极管的好坏，PN 结正结正 偏时电阻值较小偏时电阻值较小( (几千欧以下几千欧以下) )，反偏时电阻反偏时电阻 值较大值较大( (几百千欧以上几百千欧以上) ) 。2. 插入三极管挡插入三极管挡( (hFE) )，测量，测量 值或判断管型值或判断管型 及管脚；及管脚；指针式万用表指针式万用表在在 R 1 k 挡进行测量。挡进行测量。红红表笔是表笔是( (表内表内) )负极，负极，黑黑表笔是表笔是( (表内表内) )正极。正极。注意事项：注意事项：测量时手不要接触引脚。测量时手不要接触引脚。 1kBEC 1kBEC数字万用表数字万用表注意事项：注意事项： 红红表笔是表笔是( (表内电源表内电源) )正极；正极； 黑黑表笔是表笔是( (表内电源表内电源) )负极。负极。 NPN