第3章 半导体器件(修改)

1、HomeNextBackHomeNextBackHomeNextBack半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。3.1.1 半导体半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。HomeNextBack半导体有以下特点：半导体有以下特点： 1半导体的导电能力介于导体与绝缘半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间体之间 2半导体受外界光和热的刺激时，其半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。导电能力将会有显著变化。 3在纯净

2、半导体中，加入微量的杂质在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。，其导电能力会急剧增强。 HomeNextBack半导体的共价键结构半导体的共价键结构HomeNextBack1.1.本征半导体本征半导体n本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。本征半导体自由电子和空穴少、导电能力低。n空穴共价键中的空位。在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。n电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。n空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。n本征激发n在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，

3、在晶体中产生电子-空穴对的现象称为本征激发.HomeNextBackHomeNextBack在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）HomeNextBack在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主

4、要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）HomeNextBackP 型半导体N 型半导体无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。HomeNextBacku半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为。u将一块半导体的一侧掺

5、杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 3.1.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性HomeNextBackP 区 空间电荷区 N 区PN 结及其内电场内电场方向P 区 N 区载流子的扩散运动 多子扩散 形成空间电荷区产生内电场 少子漂移 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结HomeNextBacku外加正向电压（也叫正向偏置即正极接P区、负极接N区）u外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于状态。空间电荷区变窄E R内电场外电场PN

6、IHomeNextBackE R内电场外电场空间电荷区变宽PNIu外加反向电压（也叫反向偏置即正极接N区、负极接P区）u外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于状态。HomeNextBack一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。 半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接点接触型和面接触型和触型和平面型平面型三大类 。 点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。 面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，多用

7、在低频整流电路中。 平面型二极管：往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。 阳极 阴极二极管的代表符号 HomeNextBack-60 -40 -200.4 0.8 U /V40302010I /mA0正向特性反向特性外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 。正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 很小。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。1. 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性Home

8、NextBack（1）最大整流电流）最大整流电流IOM：指管子长期运行时，允许通过指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压）反向击穿电压UB：指管子反向击穿时的电压值。指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压）最大反向工作电压UDRM：二极管运行时允许承受的二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为最大反向电压（约为UB 的一半）。的一半）。（4）最大反向电流）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。其值越小，则管子的单向导电性越好。（5）最高工作频率）最高工作频率fm：主要取决

9、于主要取决于PN结结电容的大小。结结电容的大小。理想二极管特性，正偏时相当于短路；反偏时相当于开理想二极管特性，正偏时相当于短路；反偏时相当于开路。路。2. 半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数HomeNextBackHomeNext二极管基本电路及模型分析法二极管基本电路及模型分析法（1）二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析BackID+VD-R 10K +VDD20VID+VD-R 10K +VDD20VID+VD-R 10K +VDD20V+Von(a) 原电路原电路(b) 理想模型电路理想模型电路(c) 恒压降模型电路恒压降模型电路例例1的电路图的电路图解：解：（1

10、）理想模型，）理想模型，VD=0，则则mAKRVVIDDDD210020（2）恒压降模型，）恒压降模型，VD=0.7V，则则mAKRVVIDDDD93. 1107 . 020例例1 求上图（求上图（a）所示电路的硅二极管电流所示电路的硅二极管电流ID和电压和电压VD。4.4.二极管应用举例二极管应用举例（可用于整流、检波、限幅、开（可用于整流、检波、限幅、开关等电路）关等电路）HomeNextBackHomeNext（2）二极管限幅电路二极管限幅电路Back解：请观看仿真波形解：请观看仿真波形!ID+vo-R 10K +vi20V例例1.2.2 电路图电路图VREF 例例1.2.2 如图如图1

11、.2.10 所示电路。所示电路。试画出试画出VREF分别为分别为0、10V时时的波的波形形。其中其中vi=10sin tV。（3） 二极管开关电路二极管开关电路 例例1.2.3 如图如图1.2.11 所示电路。所示电路。试求试求VI1、VI2为为0和和+5V时时V0的值的值 。R 10K V0Vcc +5V例例1.2.3 电路图电路图VI1VI2D1D2000+5V0 0 0 +5V +5V 0 +5V +5VV0VI1 VI2 HomeNextBack稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。（3）动态电阻rZ。稳定工作

12、范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：rZ=UZ/IZ（4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是： PZ=UZIZM稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。阳极 阴极稳压管稳压管HomeNext（1）稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性Back 稳定电压稳定电压VZ 稳定电流稳定电流IZ（ IZmin 、IZmin ） 额定功耗额定功耗PZM 动态电阻动态电阻rZ 温度系

13、数温度系数 稳压管的稳压管的 伏安特性伏安特性（2）稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数 利用二极管反向击穿特利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。压时工作在反向电击穿状态。其伏安特性如图其伏安特性如图1.2.12所示。所示。HomeNextBack稳压二极管稳压过程 nRL不变， Ui UZ IZ I = IZ + IL nUZ = Ui- IRnUi不变, RL UZ IZ I = IZ + IL nUZ = Ui- IR (a) 符号 (b)伏安特性 (c)稳压电路 图3-12 HomeNextBackHomeNext（3）稳压

14、二极管构成的稳压电路稳压二极管构成的稳压电路Back 例例1.2.4 设计如图设计如图1.2.13 所示所示稳压管稳压电路，已知稳压管稳压电路，已知VO=6V， 输入电压输入电压VI 波动波动 10%， RL=1k 。 + R - IR + - RL IL VO VI IZ DZ 稳压管稳压电路稳压管稳压电路解：解：（1）选择）选择DZ ：mAARVIIVVVLLZOZ)1812(10006)32()32()32(6min0maxmax 查手册，查手册，选择选择DZ 为为2CW13，VZ =(56.5V) ， IZmax=38mA, IZmin=5mAHomeNextBackHomeNextB

15、ack（2）选择限流电阻）选择限流电阻R：）（标标称称系系列列值值：。可可取取标标称称值值取取91,82,75,68,62,56,51,47,43,39,36,33,30,27,24,22,20,18,16,15,13,12,11,10470)(6821000/61056%)101(15)(2411000/610386%)101(1515,)1812(3minminmax3maxmaxmin RIIVVRIIVVRVVVVVOZOIOZOIIOI HomeNextBack发光二极管发光二极管当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。不同材料制成的发光二极管会发出

16、不同颜色的光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.53V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。阳极 阴极 (a) (b)LEDLEDREHomeNextBack光电二极管光电二极管光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的PN结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。在PN结两端加反向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压。为使光线能照射到PN结上，在光电二极管的管壳上设有一个小

17、的通光窗口。阳极 阴极HomeNextBack ( a ) 发 光 二 极 管 ( b ) 光 电 二 极 管 ( c ) 变 容 二 极 管 L E D ( d ) 激 光 二 极 管 L D 其它二极管其它二极管HomeNextBack3.2.1 半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为，简称晶体管或三极管。 两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管有两种类型：和。HomeNextBack集电结 B发射结NPN集电区基区发射区CCEEB集电结 B发射结PNPCCEEB集

18、电区基区发射区NPN型PNP型箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向HomeNextBackHomeNextBack 结构特点结构特点：（1）基区很薄，且掺杂浓度很低；基区很薄，且掺杂浓度很低；（2）发射区的掺杂浓度远大于基区和集电区的掺杂浓度；）发射区的掺杂浓度远大于基区和集电区的掺杂浓度；（3）集电结的结面积很大。）集电结的结面积很大。 上述结构特点构成了上述结构特点构成了晶体管具有放大作用的内部条件晶体管具有放大作用的内部条件。 三极管外形图三极管外形图双极性晶体管的常见外形图如图双极性晶体管的常见外形图如图1.3.2所示。所示。HomeNextBack3.2.2 （1）产生放大作用的

19、条件 内部：a）发射区杂质浓度基区集电区 b）基区很薄 外部：发射结正偏，集电结反偏NPNICIEIBRBUBBUCCRC（2）三极管内部载流子的传输过程a）发射区向基区注入电子，形成发射极电流 iEb）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流 iBc）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流 iCHomeNextBackHomeNextBack（3）晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系发发射射极极注注入入电电流流传传输输到到集集电电极极的的电电流流设设 EnCII 根据传输过程可知根据传输过程可知 IC= InC+ ICBOIB= IB - ICBO通常通常 IC ICBOECII 则则有

20、有IE=IB+ IC 为共基为共基直流直流电流放大系数，电流放大系数，它只它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关与外加电压无关。一般。一般 = 0.9 0.99 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系HomeNextBack 实验表明IC比IB大数十至数百倍，因而有。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。HomeNextBack3.2.3 ICIBRBUBBUCCRCVVAmA +UCE +UBE0.4 0.

21、8 UBE /V40302010IB /mA0UCE1V测量三极管特性的实验电路 三极管的输入特性曲线输入特性曲线输入特性曲线与二极管类似HomeNextBack4321IB=003 6 9 12 UCE /V20A40A60A80A100A饱和区截止区放 大 区IC /mA输出特性曲线输出特性曲线（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BECEBEBuuui, 0, 0BCii0, 0CBiiBCii（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

22、偏置，集电结正向偏置 此时此时 HomeNextBackHomeNextBack（1）直流参数）直流参数( (a)a)共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const 图图1.3.83.2.4 HomeNextBackHomeNextBack (c) 极间反向电流极间反向电流 (i) 集电极基极间反向饱集电极基极间反向饱和电流和电流ICBO 发射极开发射极开路时，集电结路时，集电结的反向饱和电流。的反向饱和电流。 +bce-uAIe=0VCCICBO图图1.3.9(b) 共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/

23、IE HomeNextBack (ii) 集电极发射极间的穿透电流集电极发射极间的穿透电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO HomeNextBack 基极开基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。路时，集电极与发射极间的穿透电流。 +bce-VCCICEOuA图图1.3.10ICEO图图1.3.11HomeNextBackHomeNextBack（2）交流参数）交流参数( (a)a)共射交流电流放大系数共射交流电流放大系数 constCEBCvii ( (b)b)共基交流电流放大系数共基交流电流放大系数 constCBECvii 当当ICBO和和ICEO很小时，很小时， 、 ，可以不，可

24、以不加区分。加区分。 图图1.3.12HomeNextBackHomeNextBack（3）极限参数）极限参数(a) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM(b) 最大集电极耗散功率最大集电极耗散功率PCMPCM= iCvCE= const (c) 反向击穿电压反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结反向击穿电压。发射极开路时的集电结反向击穿电压。 V(BR) EBO集电极开路时发射结的反向击穿电压。集电极开路时发射结的反向击穿电压。 V(BR)CEO基极开路时基极开路时C极和极和E极间的击穿电压。极间的击穿电压。其其关系为：关系为：V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) E

25、BO图图1.3.13HomeNextBackHomeNextBack 由由PCM、 ICM和和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。确定过损耗区、过电流区和击穿区。图图1.3.14 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区输出特性曲线上的过损耗区和击穿区HomeNextBackHomeNext思考题思考题Back 1. 既然既然BJT具有两个具有两个PN结，可否用两个二极管相联结，可否用两个二极管相联以构成一只以构成一只BJT，试说明其理由。试说明其理由。 2. 能否将能否将BJT的的e、c两个电极交换使用，为什么？两个电极交换使用，为什么？ 3. 为

26、什么说为什么说BJT是电流控制型器件？是电流控制型器件？例例 题题 例例13.1 图图3.19 所示各晶所示各晶体管处于放大工作状态，体管处于放大工作状态，已知各电极直流电位。试已知各电极直流电位。试确定晶体管的类型（确定晶体管的类型（NPN /PNP、硅硅/锗），并说明锗），并说明x、y、z 代表的电极。代表的电极。 x y z Vy=12V Vx=6.7V Vz=6V (a) (b) x y z Vy=-6V Vx=-12V Vz=-6.3V 图图3.19HomeNextBackHomeNextBack提示：提示： （1）晶体管工作于放大状态的条件：）晶体管工作于放大状态的条件：NPN管：

27、管：VC VBVE，PNP管：管：VEVBVC；（；（2）导通电压：硅导通电压：硅管管|VBE|= 0.60.7V，硅管硅管|VBE|= 0.20.3V，。为为基基极极，为为发发射射极极，为为集集电电极极锗锗管管，为为按按照照同同样样方方法法，可可判判断断硅硅管管。，故故该该管管为为于于是是且且该该管管为为硅硅管管为为集集电电极极，为为发发射射极极而而又又为为基基极极解解：bzeycxPNPbNPNVVVcyezVVVVVVVbxVVVaebcyxzxzxy)(,7 .03 .5,7 .0)( HomeNextBackHomeNextBack 例例3.2 已知已知NPN型硅管型硅管T1 T4

28、各电极的直流电位如表各电极的直流电位如表3.1所示，试确定各晶体管的工作状态。所示，试确定各晶体管的工作状态。晶体管晶体管T1T2T3T4VB/V0.71-10VE/V00.3-1.70VC/V50.7015工作状态工作状态提示：提示： NPN管（管（1）放大状态：）放大状态：VBE Von, VCE VBE; （2）饱和状态：饱和状态： VBE Von, VCE VBE; （3）截止状态：截止状态： VBE Von表表3.1放大放大饱和饱和放大放大 截止截止HomeNextBackHomeNextBack 例例3-.3 图图3.20 所示电路中，晶体管为硅管，所示电路中，晶体管为硅管， VC

29、ES=0.3V 。求：当求：当VI=0V、VI=1V 和和VI=2V时时VO=? + - VBE IB Rc 3k +VCC (+12V) Rb =80 10k VI VO IC 图图3.20 解：解：(1) VI=0V时，时， VBEUGS（off）uGD0（或或vDS0），），则该管为则该管为N沟道；沟道； vGS 0，故故为为JFET（耗尽型）。耗尽型）。 (b) iD0（或或vDS0），），则该管为则该管为P沟道；沟道； vGS0（或或vDS0），），则该管为则该管为N沟道；沟道； vGS可正、可负，可正、可负，故为耗尽型故为耗尽型MOS管。管。提示：提示： 场效应管工作于恒流区场效应

30、管工作于恒流区：（：（1） N沟道增强型沟道增强型MOS管：管：VDS0, VGSVGS(th) 0；P沟道反之。沟道反之。 （2） N沟道耗沟道耗尽型尽型MOS管：管： VDS0, VGS可正、可负，也可为可正、可负，也可为0；P沟道反沟道反之。之。 （3） N沟道沟道JFET： VDS0, V GS0 ；P沟道反之。沟道反之。 HomeNextBackHomeNextBack +VDD +18V T Rd 8k + uI - (a) 4V vDS/V VGS=10V 8V iD/mA 6V (b) 2 1 0 6 12 18 + uO - 3 9 15 图图3.30 例例1.4.2图图 例

31、例3.5 电路如图电路如图3.30(a) 所示，场效应管的输出特性如所示，场效应管的输出特性如图图3.30(b) 所示所示 。试分析当。试分析当uI=2V、8V、12V三种情况下，三种情况下，场效应管分别工作于什么区域。场效应管分别工作于什么区域。HomeNextBackHomeNextBack (c)当当uI=10V 时，假设管子工作于恒流区，此时时，假设管子工作于恒流区，此时iD=2mA，故故uO =uDS =VDD - iD Rd= 18-2 8=2V， uDS - VGS(th) =2-6=-4V，显然小于显然小于uGS =10V时的时的预夹断电压，故假设不成立预夹断电压，故假设不成立 ，管子管子工作于可变电阻区。此时，工作于可变电阻区。此时，Rds uDS/iD=3V/1mA=3k，故故VVRRRuDDdsddsO9 . 418383 解解: (a)当当uI=2V 时，时， uI=uGS|VGS(off)|=4V ，所以所以 vOmax=VDD -4V=12 4=8V ，故故 RL= vO / IDSS =(08V)/4mA=(02)k 。 例例3.6 电路如图电路如图3.31 所示，场效应管的夹断电压所示，场效应管的夹断电压VGS(off)=-4V，饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS=4mA。为使场效应管工作为使场效应管工