第14章_半导体器件

1、电工与电子技术电工与电子技术半导体：半导体：导电能力介于导体和半导体之间的材料。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、锗、硒硅、锗、硒及许多金属的及许多金属的氧化物氧化物和和硫化物硫化物等。半导体材料多以等。半导体材料多以晶体晶体的形式存在的形式存在。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；导电能力增强；3. 光照增强光照增强导电能力增强；导电能力增强；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。14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性电工

2、与电子技术共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子电工与电子技术 Si Si Si Si价电子价电子这一现象称为这一现象称为本本征激发。征激发。空穴空穴自由电子自由电子电工与电子技术 Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可变在常温下即可变为自由电子为自由电子失去一个电失去一个电子变为正离子变为正离子子电工与电子技术 P接正、接正、N接负接负 PN结具有单向导电的特性，也是由结具有单向导电的特性，也是由PN结构成的半导结构成的半导体器件的主要工作机理。体器件的主要工作机理。正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场

3、被削弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动，弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动，N区的电区的电子不断扩散到子不断扩散到P区，区，P区的空穴也不断扩散到区的空穴也不断扩散到N区，形成较区，形成较大的大的正向电流正向电流，这时称，这时称PN结处于结处于导通导通状态。状态。空空间间电电荷荷区区变变窄窄 R 内内电电场场 外外电电场场 P N I正正向向 US 电工与电子技术 E R 内电场 外电场 空间电荷区变宽 P N IR 反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强增强，致，致使多子的扩散难以进行，即使多子的扩散难以进行，即PN结对反向电压呈结对

4、反向电压呈高阻高阻特性；反特性；反偏时偏时少子少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流流 IR一般情况下可忽略不计，此时称一般情况下可忽略不计，此时称PN结处于结处于截止截止状态。状态。 PNPN结的结的“正偏导通，反偏阻断正偏导通，反偏阻断”称为其单向导电性质，称为其单向导电性质，这正是这正是PNPN结构成半导体器件的基础。结构成半导体器件的基础。 电工与电子技术 将将PN结加上电极引线及外壳，就构成了半导体二极管。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。结是二极管的核心，也是所有半导

5、体器件的核心。电工与电子技术阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属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引线( b ) 面接触型面接触型图图 1 12 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D电工与电子技术 -60 -40 -20 0.4 0.8 U /V 40 30 20 10 I /mA 0 正向特性 反向特性 死区电压 （1 1

6、）正向特性）正向特性 二极管外加正向电压较二极管外加正向电压较小时，外电场不足以克服内小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于结仍处于截止截止状态状态 。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。 正向电压大于死区电压正向电压大于死区电压后，正向电流后，正向电流 随着正向电随着正向电压增大迅速上升。通常死区压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为电压硅管约为0.5V，锗管约锗管约为为0.2V。（2 2）反向特性）反向特性外加反向电压时，外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流很小；结处于截止状态，反向电流很小

7、； 显然显然,二极管的伏安特性不是直线，因此属于二极管的伏安特性不是直线，因此属于非非线性线性电阻元件。电阻元件。14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性电工与电子技术 二极管的特性不仅可用伏安曲线表示，也可用一些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：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通过的最大二极管长时间使用所允许通过的最大正向平均电流。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保证二极管不被

8、击穿而给出的反向峰值电压，为反向击穿电压的反向峰值电压，为反向击穿电压的1/2至至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。微安级以下。14.3.3 14.3.3 主要参主要参数数电工与电子技术电工与电子技术定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的， 电工与电子技术 稳压管是一种特殊的面接触型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

9、定电二极管。它在电路中常用作稳定电压的作用，故称为稳压管。压的作用，故称为稳压管。 稳压管的图形符号：稳压管的图形符号： 稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性：U(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20-1030-12反向正向 稳压管的伏安特性曲线稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，只是与普通二极管类似，只是反向曲线更陡一些。反向曲线更陡一些。电工与电子技术 稳定电压稳定电压Uz 指稳压管正常工作时的端电压。指稳压管正常工作时的端电压。（其数值具有分散性）（其数值具有分散性）稳定电流稳定电流IZ 正常工作的参考电流值。低于此正常工作的参考电流值。低于此值稳压效果差。在不超过额

10、定功率的值稳压效果差。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。作电流越大稳压效果越好。U(V)0I (mA)反向正向UZIZ稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：电工与电子技术(3) 电压温度系数电压温度系数 环境温度每变化环境温度每变化1 1 C引起引起稳压值变化的稳压值变化的百分数百分数。(4) 动态电阻动态电阻ZZ ZIUr(5) 稳定电流稳定电流 IZ 、最大稳定电流、最大稳定电流 IZM(6) 最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。电工与

11、电子技术N型硅型硅P型型N型型二氧化硅保护膜CBEN型锗铟球铟球P型P型CEB平面型结构合金型结构 晶体管是最重要的一种半导体器件。广泛应用晶体管是最重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路中。于各种电子电路中。14.5 14.5 晶体管晶体管 14.5.1 14.5.1 基本结构基本结构电工与电子技术NNP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EBCNPP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EBCBECBEC 晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。平面型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。它们都具有都是硅管、合

12、金型主要是锗管。它们都具有NPN或或PNP的的三层两结三层两结的结构，因而又有的结构，因而又有NPN和和PNP两类晶体管。两类晶体管。 其三层分别称为发射区、基区和集电区，并引出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)和和集电极集电极(C)三个电极。三层之间的两三个电极。三层之间的两个个PN结分别称为发射结和集电结。结分别称为发射结和集电结。电工与电子技术基区：最薄，基区：最薄，掺杂浓度最低掺杂浓度最低发射区：掺发射区：掺杂浓度最高杂浓度最高电工与电子技术EEBRBRC电工与电子技术晶体管电流放大的实验电路晶体管电流放大的实验电路 mA AVVmAICECI

13、BIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100电工与电子技术符合基尔霍夫定律符合基尔霍夫定律电工与电子技术+ UBE ICIEIB CT E B +UCE (a) NPN 型晶体管；型晶体管；+ UBE IBIEIC CT EB +UCE (b) PNP 型晶体管型晶体管电工与电子技术BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基区空穴向发基区空穴向发射区的扩散可忽射区的扩散可忽略。略。发射结正偏，发射发射结正偏，发射区电子不断向基区扩区电子不断向基区扩散，形成发射极电流散，形成发射极电流I IE E。进入进入P P 区的电子少区的电子少部分与基区的空穴复部分与基区的空穴复合，形成电

14、流合，形成电流I IBE BE ，多，多数扩散到集电结。数扩散到集电结。从基区扩散来的电子从基区扩散来的电子作为集电结的少子，作为集电结的少子，漂移进入集电结而被漂移进入集电结而被收集，形成收集，形成I ICECE。集电结反偏，有集电结反偏，有少子形成的反向电少子形成的反向电流流I ICBOCBO。电工与电子技术ICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略电工与电子技术ICIBRBUBBUCCRCVVAmA +UCE +UBE0.4 0.8 UBE /V40302

15、010IB /mA0UCE1V测量三极管特性的实验电路 三极管的输入特性曲线死区电压死区电压14.5.3 14.5.3 特性曲线特性曲线UCE 1V，原因是，原因是b、e间加正向电压。这时集电极的电位比基极高，集电结为间加正向电压。这时集电极的电位比基极高，集电结为反向偏置，发射区注入基区的电子绝大部分扩散到集电结，只有一小部分与基反向偏置，发射区注入基区的电子绝大部分扩散到集电结，只有一小部分与基区中的空穴复合，形成区中的空穴复合，形成IB。 与与UCE=0V时相比时相比 ，在，在UBE相同的条件下，相同的条件下，IB要小的多。从图中可以看出，导要小的多。从图中可以看出，导通电压约为通电压约

16、为0.5V。严格地说，当。严格地说，当UCE逐渐增加逐渐增加 时，时，IB逐渐减小，曲线逐渐向右逐渐减小，曲线逐渐向右移。这是因为移。这是因为UCE增加时，集电结的耗尽层变宽，减小了基区的有效宽度，不增加时，集电结的耗尽层变宽，减小了基区的有效宽度，不利于空穴的复合，所以利于空穴的复合，所以IB减小。不过减小。不过UCE超过超过1V以后再增加，以后再增加，IC增加很少，因增加很少，因为为IB的变化量也很小，通常可以忽略的变化量也很小，通常可以忽略UCE变化对变化对IB的影响，认为的影响，认为UCE 1V时的时的 曲线都重合在一起。曲线都重合在一起。晶体管的输入特性与二极管类似晶体管的输入特性与

17、二极管类似电工与电子技术 4 3 2 1 IB=0 0 3 6 9 12 UCE /V 20A 40A 60A 80A 100A 饱和区饱和区 截止区截止区 放放 大大 区区 IC /mA （1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置 （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2 2输出特性曲线输出特性曲线BCii0 0CBii；iB0，uBE0，uCEuBEBCii电工与电子技术 BCII_ BCII 14.5.4 14.5.4 主要参数主要参数电工与电子技术 AICEOIB=0+ICBO A+EC电工与电子技术电工与电子技术ICMU(BR)CEOICUCEO安全工作区安全工作区电工与电子技术 发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，结构成，具有单向导电性。具有单向导电性。 发光二极管是一种功率控制器件，常用来作为数字电路发光二极管是一种功率控制器件，常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列式器件；单个发光二极管的数码及图形显示的七段式或阵列式器件；单