第1章-半导体器件

第一章半导体器件1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3特殊二极管1.4集成稳压器1.5半导体三极管半导体器件是电子技术的重要组成部分。半导体器件的发展：分立半导体器件→小规模集成电路→中规模集成电路→大规模和超大规模集成电路。最常用的半导体器件：半导体二极管、半导体三极管。半导体二极管和三极管的结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和分析电子电路必不可少的基础。第一章半导体器件一、记住基本元件的电路符号、伏安特性和元件在电路中的作用。二、会分析简单的电路第一章半导体器件要求：按导电能力的不同，物质可以分为：导体、半导体、绝缘体。常用的半导体材料：四价元素Si（硅）、Ge（锗）。1.1半导体的基础知识GeSi28184+32+14284★硅和锗的原子结构★完全纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。★应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素。硅(Si)的原子结构1.1.1本征半导体SiSiSiSi自由电子：带负电空穴：带正电束缚电子

在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。载流子:自由电子和空穴1.1.2杂质半导体：N型半导体和P型半导体N型半导体（多数载流子为电子，亦称电子半导体）P型半导体（多数载流子为空穴，亦称空穴半导体）★在本征半导体中掺入某些微量的杂质，便成为杂质半导体，会使半导体的导电性能发生显著变化。★

N(Negative负的)型半导体●在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。

●自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。●称电子型半导体

或N型半导体磷元素的原子结构图SiSiP+Si多余电子★P（Positive正的）型半导体

在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。

空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。称空穴型半导体或P型半导体。SiSiB-Si空穴

不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的——电中性。1.1半导体的基础知识1.PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。

1.1.3

PN结及其单向导电性P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++多子扩散运动内电场E少子漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区磷离子硼离子漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，空间电荷区的宽度固定不变。磷离子硼离子－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区磷离子硼离子PN结1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方扩散。3、P

区中的电子和N区中的空穴（都是少子）数量有限，由它们形成的电流很小。注意:2.PN结的单向导电性●PN结外加正向电压（正向偏置）：P区接外部电源的正极、N区接外部电源的负极。

●PN结外加反向电压（反向偏置）：

P区接外部电源的负极、N区接外部电源的正极。●PN结的单向导电性是PN结的基本特性，只有在外加电压（偏置电压）时才能显现出来。－－－－++++RE（1）PN结正向偏置内电场外电场PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。正向偏置使PN结导通PN结呈现低阻导通状态，从而形成较大的正向电流。–+变窄PN内电场方向外电场方向RI（2）PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制，少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向漂移电流。RE反向偏置使PN结截止

PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流

----反向电流特点:受温度影响大原因:反向电流是靠本征激发产生的少子形成的。+-变宽PN内电场方向外电场方向RI=0结论：PN结具有单向导电性——

正向导通，反向截止。

（1）PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。1.2半导体二极管1.2.1

基本结构将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两种。点接触型金锑合金面接触型N型锗

正极引线负极引线PN结底座铝合金小球引线触丝N型锗外壳小功率高频大功率低频按材料分：硅管（一般为面接触型）和锗管（一般为点接触型）。按用途分：普通二极管、整流二极管和开关二极管。5.2半导体二极管1.2.1基本结构★二极管的几种外形：阳极阴极★二极管的电路符号：D1.2.2伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBRUBR远远大于UF一般为十几伏到几十伏UF死区电压硅管0.5V,

锗管0.1V。PN+-正向偏置PN+-反向偏置反向截止区反向击穿区二极管属于非线性电阻元件。理想二极管：正向导通时，正向压降为零，正向电阻为零，二极管相当于短路；反向截止时，反向电流为零，反向电阻无穷大，二极管相当于开路。1.2.2伏安特性1.2.3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.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URWM一般是UBR的1/2或2/3。3.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值。手册上给出的最高反向工作电压URWM一般是UBR的一半或三分之二。4.反向峰值电流

IRM指二极管加反向峰值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，因此反向峰值电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。二极管应用举例☆二极管的应用是利用它的单向导电性，主要应用于整流、检波、限幅、保护等等。例1:图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。设二极管导通时的压降为0.3V。VY=+2.7V解：DA优先导通，DA导通后，DB上加的是反向电压，因而截止。DA起钳位作用，DB起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAYR二极管应用举例例2:试判断图中二极管的工作状态，并求出二极管中的电流。(图中的二极管为理想二极管)12VAB3kΩ6VD2D1ID2ID1+-+-解：RLuiuo二极管的应用举例3：二极管半波整流uiuott☆利用二极管的单向导电特性可作为电子开关。如下面的两个例子就是其典型应用。二极管的应用举例4：tttuiuRuoRC远小于脉冲宽度二极管起到隔离和检波作用RRLuiuRuoC+－+－+－t1t21.2.4整流电路整流电路的作用:

将交流电压转变为脉动的直流电压。

常见的整流电路：

半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流。分析时可把二极管当作理想元件处理：二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：

利用二极管的单向导电性。1.单相桥式整流电路★电路组成r★单相桥式全波整流电路工作原理当u2>0

时，二极管

D1、D3导通。★单相桥式全波整流电路工作原理当u2<0

时，二极管

D2、D4导通。★单相桥式全波整流电路的波形（1）单相桥式整流电路输出电压平均值（2）单相桥式整流电路输出电流平均值几个数量关系：（4）单相桥式整流电路二极管上承受的最高反向电压：（3）单相桥式整流电路中二极管的平均电流：（4）变压器容量（即视在功率）（5）单相桥式整流电路变压器副边电流有效值画法例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为220V，负载电阻RL=55，负载电压Uo=110V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。

I2=1.11Io=21.11=2.2A

变压器副边电流有效值变压器容量

S=U2I2=122

2.2=207.8VA变压器副边电压U2

122V可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。例2：试分析图示桥式整流电路中的二极管D2

或D4

断开时负载电压的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo

如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。

如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与D2或D4接反类似，变压器及D1或D3也将因电流过大而烧坏。uo+_~u+_RLD2D4D1D32.有电容滤波的整流电路

交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。滤波原理：滤波电路利用电容充放电的特性,得到较为平滑的输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形电容滤波电路的特点：(T—电源电压的周期)输出电压的脉动程度和平均值Uo大小与放电的时间常数RLC有关。

RLC

越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo

=1.2U2(

桥式）当负载RL开路时，UO

为了得到比较平直的输出电压例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。流过二极管的电流二极管承受的最高反向电压变压器副边电压的有效值uRLuo++––~+C解：1.选择整流二极管可选用二极管2CP11IOM=100mAUDRM=50V

例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。取RLC=5T/2已知RL=50uRLuo++––~+C解：2.选择滤波电容器可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V。uRLuo++––~+C解：3.负载开路时4.电容断路时1.3特殊二极管一、稳压二极管

一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。

△二、光电二极管△三、发光二极管D稳压管表示符号：DZDUIIZIZmaxUZIZ曲线越陡，电压越稳定。UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。UZ反向击穿电压IZmin反向击穿是可逆的☆稳压管的伏安特性正向+-反向+-☆稳压管稳压原理

稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。☆稳压管稳压电路(1)电路结构(2)工作原理a.电网电压波动b.负载波动通过调节R上的压降来达到稳定输出电压Uo的目的。☆发光二极管在正向电压下工作1.3特殊二极管外形图形符号☆发光二极管应用电路图☆光电二极管：工作于反向电压i工作原理应用电路随着半导体工艺的发展，现在已广泛应用的是三端（只有输入、输出和公共三个引出端）固定式集成稳压器，具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。常用的三端固定式集成稳压器分为W78XX和W79XX系列：

W78XX系列的输出为正电压，W79XX系列的输出为负电压。1.4集成稳压器1端:输入端2端:输出端3端:公共端W78XX系列稳压器外形1321端:公共端3端:输入端2端:输出端W79XX系列稳压器外形132注：金属封装和塑料封装管脚定义不同，使用时一定要先查手册。注：型号后XX两位数字代表输出的电压值。三端集成稳压器固定式可调式正稳压W78XX负稳压W79XX1.集成稳压器的分类W78XX系列——输出稳定的正电压

W7805输出+5VW7808输出+8VW7812输出+12VW7815输出+15VW79XX系列——输出稳定的负电压

W7905输出-5VW7908输出-8VW7912输出-12VW7915输出-15V1.4集成稳压器输出为固定电压2.应用电路——+_W7800系列稳压器基本接线图CoW78XXCiUi+_Uo1230.1~1F1µF为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动，即用来改善负载的瞬态响应。用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生自激振荡。用以改善波形。正负电压同时输出的电路W78XXCiUi+_UO123+_CiW79XX12COCO3UO输出正负电压2.应用电路——三极管的作用：电流放大1.5半导体三极管(晶体管)BECNNP基极发射极集电极基区：最薄，掺杂浓度最低集电区：面积最大发射区：掺杂浓度最高1.5半导体三极管(晶体管)1.5.1基本结构发射结集电结1.5.1基本结构BECNNP基极发射极集电极+++++++++++++__________________________+++++++++++++JCJeBECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型B1.5半导体三极管(晶体管)硅管锗管BECNPN型三极管BECPNP型三极管☆三极管符号NPNCBEPNPCBE三极管发射极的箭头方向代表发射结正向偏置时发射极电流的实际流向。1.5.2电流分配和电流放大原理共发射极电路µAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6RC晶体管电流测量数据IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此测量结果可得出如下结论：(1)IE=IC+IB符合基尔霍夫电流定律。(2)IE和IC接近，但是比IB大得多。(3)当IB=0（将基极开路）时，IE=ICEO，ICEO<0.001mA(4)晶体管要正常放大：发射结必须正偏，集电结必须反偏。晶体管的电流测量数据☆从第三列和第四列的数据可得称为静态电流放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化IB可以引起集电极电流较大的变化IC，这就是晶体管的电流放大作用。

式中，称为动态电流放大系数。BECNNPEBRBECIEIBEICEIcIBIc+IB=IE电流放大的本质是：发射极电流被按照一定比例进行分配,这一比例系数我们称之为电流放大系数。RCICBO各级电流运算关系BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管☆不同类型的管子，其偏置电压不同，使用时要注意。++-+++-+1.5.3特性曲线☆用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。☆以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。µAmAVIBICRBEC++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCERC（1）输入特性曲线UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：NPN硅管UBE0.6~0.7V,PNP锗管UBE-0.2~-0.3V。死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’=IC/

IB=2mA/40A=50=IC/

IB

=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/

IB=3mA/60A=50（2）输出特性曲线输出特性中的三个区域：IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且

IC=

IB。此区域称为线性放大区。此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压,称为截止区。输出特性三个区域的特点:(1)线性放大区IC=IB,且

IC=

IB，发射结正偏，集电结反偏。(2)饱和区

IC达饱和，IC不与IB成倍的关系，IB>IC。发射结和集电结都正偏，即UCEUBE

（UCE0.3V，UBE0.7V）

(3)截止区UBE<死区电压，(UBE≤0时可靠截止)，发射结和集电结都反偏，IB=0，IC=ICEO

0（ICEO穿透电流，很小，A级）

晶体管结电压的典型数据当晶体管饱和时，UCE

0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC

0，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大。可见，晶体管除了具有电流放大作用外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如下图所示：+

UBE>0

ICIB+UCE(a)放大

UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止

UBC<0++UB