电工技术课件：第7章 半导体器件

第7章半导体器件7.2PN结及其单向导电特性7.3半导体二极管7.4稳压二极管7.1半导体的导电特性7.5双极型晶体管第7章半导体器件本章要求：一、理解PN结的单向导电性；二、了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路；四、了解晶体管的基本构造、工作原理和特性曲，理解主要参数的意义。7.1

半导体的导电特性半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强7.1.1

本征半导体完全纯净、具有晶体结构的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，每个原子最外层电子数为4。++SiGe共价键本征半导体晶体中的共价健结构：每个原子与相邻的四个原子结合。每个原子的一个价电子与相邻原子的一个价电子组成一电子对，由相邻原子共有，构成共价键结构。共价键价电子共价键价电子自由电子和空穴同时产生半导体导电方式激发自由电子温增/光照外加电压电子电流离开剩空穴（原子带正电）外加电压吸引相邻原子价电子填补空穴好像空穴在运动空穴电流与金属导电的区别硅原子自由电子硅原子半导体中的自由电子和空穴都能参与导电——半导体具有两种载流子。共价键价电子小结本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子的产生与复合会达到动态平衡。温度愈高，载流子数目就愈多，导电性能就愈好——温度对半导体器件性能影响很大7.1.2

杂质半导体在常温下，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，将得到掺杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类——N型半导体和P型半导体1.

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+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余电子1.

N型半导体掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。这种半导体主要靠自由电子导电，称之为电子半导体或N型半导体。在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。室温情况下，本征硅中载流子有1.51010个/cm3，当磷掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几十万倍。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+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴2.

P型半导体综上所述，由于掺入杂质的不同，产生了N型半导体和P型半导体。杂质半导体中载流子的浓度远大于本征半导体中载流子的浓度，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个半导体晶体仍是电中性的。掺硼半导体中，空穴数目远大于自由电子数目。主要靠空穴导电,称为空穴半导体或P型半导体。

空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子。因为载流子带正电或负电，原子则相反带负电或带正电，整个晶体不带电。？

1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

3.当温度升高时，少子的数量

（a.减少、b.不变、c.增多）。abc

4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba7.2PN结及其单向导电性7.2.1PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区7.2.2.PN结的单向导电性

(1)PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄

P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–(2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场

P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN结变宽(2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR

P接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－7.3

半导体二极管7.3.1基本结构(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a

)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b

)面接触型半导体二极管的结构和符号7.3

半导体二极管二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)符号D7.3.2二极管的伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。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。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。7.3.3二极管的主要参数1.

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电流。2.

反向工作峰值电压URWM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UBR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。3.

反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。二极管的单向导电性

1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。

2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.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。

4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。

7.3.4二极管的应用定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。电路如图，求：UAB

V阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。

D6V12V3kBAUAB+–两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。

BD16V12V3kAD2UAB+–ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例3：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––7.4

稳压二极管符号UZIZIZMUZ

IZ7.4.1.稳压管的伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO7.4.1

伏安特性U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向稳压管正常工作于反向击穿区，常见电路如下：UiRUoRL在电路中稳压管是反向联接的。当Ui大于稳压管的击穿电压时，稳压管被击穿（在一定的电流范围内可逆），电流将增大，电阻R两端的电压增大，稳压管两端的电压基本不变，输出电压Uo等于Uz。1、稳定电压Uz

指稳压管正常工作时的端电压。同一型号稳压管UZ也不一定相等。2、稳定电流IZ

正常工作的参考电流值。

每种型号稳压管都规定有一个最大稳定电流IZM，超过它，易发生热击穿（不可逆），稳压管损毁,IZ<IZM。U(V)0I(mA)反向正向UZIZ7.4.2

稳压管的主要参数3、电压温度系数U说明稳压值受温度影响的参数，越小越好。如：稳压管2CW18的电压温度系数为0.095%/C

假如在20C时的稳压值为11V，当温度升高到50C时的稳压值将为特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。因此选用6V左右的稳压管，具有较好的温度稳定性。7.4.2

稳压管的主要参数4、动态电阻rZ

稳压管子端电压和通过其电流的变化量之比。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)0I(mA)反向正向UZIZIZmIZUZ5、最大允许耗散功耗PZM保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。其值为稳定电压和允许的最大电流乘积7.4.2

稳压管的主要参数例电路如图，通过稳压管的电流IZ等于多少？解：UR=20-12=8VIZ=IR=8/1.6=5mA<18mA若R1=12kΩ，I1=?IZ=？RL=12kΩI1=？I1=UZ/RL=12/12=1mAIZ=IR-I1=5-1=4mA+20VIZR=1.6kΩUz=12VIZM=18mA+DZ-IR7.5

双极型晶体管7.5.1晶体管的结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大7.5.2晶体管的电流放大作用1.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏

PNP发射结正偏

VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

BEC+++-BEC---+2.各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。

实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。3.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。3.三极管内部载流子的运动规律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

ICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数集－射极穿透电流,温度ICEO(常用公式)若IB=0,则

ICICE07.5.3

晶体管的特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：

1）直观地分析管子的工作状态

2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路

测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.

输入特性曲线特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.输出特性曲线IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。饱和区截止区（3）饱和区

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。7.5.4

晶体管的主要参数1.电流放大系数，直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的

值在20~200之间。例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA