第14章半导体器件

第14章半导体器件14.1半导体的导电特性14.2PN结及其单向导电性14.3二极管14.4稳压二极管14.5双极型晶体管14.6光电器件对于元器件，学习重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不过于追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况,对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似,以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标,就不要过分追究精确的数值。工程上允许一定的误差，可采用合理估算的方法。14.1半导体的导电特性本征半导体杂质半导体半导体中的电流物质按导电性能分类导体（＞105）绝缘体（10-22~10-14）半导体，是指电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10-9~102欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。如硅、锗等，半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显着。

14.1.1本征半导体完全纯净的、晶格完整的半导体，称为本征半导体。制造半导体器件的半导体材料的浓度要达到99.9999999%，例如硅和锗。四价元素：在原子最外层轨道上的四个价电子。共价键：相邻原子共有电子对。绝对零度（-273.15°C）时晶体中无自由电子。晶体中原子的排列方式本征半导体中的载流子载流子：半导体结构中获得运动能量的带电粒子。有温度环境就有载流子。绝对零度时晶体中无自由电子。本征半导体中的载流子是自由电子和空穴。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，且方向相反。本征半导体中载流子的浓度温度升高热运动加剧载流子增多导电能力增强本征半导体中载流子浓度的特点本征半导体中载流子的浓度很低，导电性能很差。本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。本征半导体要点归纳本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高->载流子的浓度越高->本征半导体的导电能力越强。杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体分类：N型半导体P型半导体14.1.2N型半导体和P型半导体掺入五价元素多子和少子多子由掺杂形成，取决于掺杂浓度。少子由热激发形成，取决于温度。问题杂质半导体的导电能力由谁决定？为什么用杂质半导体制作器件？杂质半导体多子浓度由什么决定?杂质半导体少子浓度由什么决定?杂质半导体归纳杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子和少子）。杂质半导体中多子数量取决于掺杂浓度，少子数量取决于温度。杂质半导体中起导电作用的主要是多子。N型半导体中电子是多子，空穴是少子。P型半导体中空穴是多子，电子是少子。半导体中的两种电流1.漂移电流：由载流子的漂移运动形成的电流。漂移运动：由电场力引起的载流子定向运动。2.扩散电流：由载流子的扩散运动形成的电流。扩散运动：由于载流子浓度不均匀（浓度梯度）造成的运动。以上2种电流的方向与载流子的方向有关。空穴电流的方向与运动方向一致。电子电流的方向与运动方向相反。14.2PN结及其单向导电性1.PN结的形成2.PN结的单向导电性3.PN结的伏安特性PN结是构成半导体器件的核心结构。PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体结合处所形成的特殊结构。PN结是半导体器件的心脏。PN结的形成在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质，分别形成N型半导体和P型半导体。因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移，阻止多子扩散多子扩散和少子漂移达到动态平衡PN结建立在在N型和P型半导体的结合处，由于扩散运动，使空穴和电子形成不能移动的负离子和正离子状态。PN结称为---空间电荷区耗尽层、阻挡层。PN结很窄（几个到几十个m)。PN结形成归纳空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中内电场阻碍多子（P中的N中的电子）的扩散运动。空间电荷区中内电场推动少子（P中的电子、N中得空穴）的漂移运动。P中的电子和N中的空穴（都是少子）数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。PN结的单向导电性若外加正向电压，使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大。若外加反向电压，PN结呈高阻性，所以电流小。外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。扩散电流>漂移电流扩散运动<漂移运动在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。PN结单向导电性归纳正向特性：P（+），N（-）外电场消弱内电场，PN结电阻小，电流大，导通；I的大小与外加电压有关；反向特性：P（-），N（+）外电场增强内电场，PN结电阻大，反向电流很小，截止；I反的大小与少子的数量有关，与温度有关。返回PN结的伏安特性uiU(BR)0u>0，u↑→i↑正向特性反向特性|u|↑>U（BR），－反向击穿u<0，i≈-IS，恒定不变按指数规律快速增加小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管1.2.1半导体二极管的结构PN结+引线+封装=二极管。PN阳极阴极D14.3.2伏安特性返回2.反向特性硅：Is<0.1A，锗：Is＝几十A。U（BR）=几十伏uiU(BR)0UonIS20℃1.正向特性开启电压Uon：正向电压超过某一数值后，才有明显的正向电流。硅：Uon=0.5V；锗：Uon=0.1V正向导通电压U范围： 硅：0.6~0.8V（计算时取0.7V），U=0.7锗：0.1~0.3V（计算时取0.2V），U=0.2使用时应加限流电阻。反向电流很小，与温度有关；|U|

击穿电压，击穿导通，反向电流急剧增加；EDED温度对二极管伏安特性的影响0uiU(BR)UonIS20℃80℃原因：温度增加，少子增加，PN结变窄，内电场减弱，开启电压减小，正向曲线左移。温度增加，Uon减小，IS增加。正向曲线左移，反向曲线下移。T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移返回14.3.3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。手册上给出的URWM一般是UBR的一半。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（最大反向电流）IRM指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。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。二极管的应用理想二极管U>0,D导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一个闭合的开关。U<0,D截止；I=0,UD(负值)取决于外电路；相当于一个断开的开关。uiO解：S断开时，D导通，RV1(6V)UO+－UD+－S闭合时，D截止，RV2(12V)UO+－例已知二极管导通时UD=0.7V估算S断开和闭合时的UO

DRSV1(6V)V2(12V)UO+－当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。广泛应用于数字电路门电路中。二极管的特点：单向导电性二极管的应用：开关、箝位、隔离、检波、整流等，大量应用在模拟电路和数字电路。14.4稳压二极管反向击穿区反向击穿特性越抖，说明稳压性能越好。返回主要参数稳定电压Uz

稳压二极管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。稳定电流Iz、最大稳定电流IZMIz是稳压管正常工作时的参考电流值，对应Uz的值,作为参考的最小电流对待。动态电阻类似二极管的动态电阻，反映了稳压区电压变化量与电流变化量之比，rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好，一般为几欧到几十欧。主要参数电压温度系数au环境温度每变化1°C引起稳压值变化的百分数。温度升高，Uz增加，正温度系数。温度升高，Uz减小，负温度系数。额定功耗PZMIZM为最大稳定电流二极管与稳压管的区别二极管运用在正向区稳压二极管运用在反向击穿区

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。R---限流电阻（保护稳压管）---调整电阻（当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，起稳压作用）UODZRRL+－R---串联在稳压电路中；---必不可少！

---取值合适（使稳压管工作在击穿区）例：已知UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大稳定电流IZmax=25mA负载电阻RL=600Ω，求限流电阻R的取值范围UODZRRLILIRIDZ+－UI=10V解：由：得：uiO△u△iIZUZIZM14.5双极型晶体管晶体管的结构及类型晶体管的电流分配和放大作用晶体管的共射特性曲线晶体管的主要参数BipolarJunctionTransistor------BJT简称晶体管或三极管双极型器件两种载流子（多子、少子）双极型晶体管晶体管具有的能力电流控制（currentcontrol）电流放大（currentamplify）

E标注箭头，箭头的方向表示流经该晶体管的电流方向。PNP型晶体管和NPN型晶体管导电时电流方向不同返回14.5.2电流分配和放大原理放大的含义：1.放大的对象是变化量2.放大是指对能量的控制作用

输入端输入一个小的变化量，控制能量使输出端产生一个大的变化量，能量来自电源。放大器电源uIuO晶体管放大的工作条件①内部条件发射区高掺杂(故管子e、c极不能互换)基区很薄(几个微米)

②外部条件

发射结(eb结)正偏集电结(cb结)反偏

返回发射结正偏，集电结反偏VC>VB>VEVC<VB<VEB（P）C（N）IBIEICNPN型三极管E（N）IBIEICPNP型三极管C（P）B（N）E（P）发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB三极管的三种连接方式

共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极作为公共端。①共基极接法；②共发射极接法，③共集电极接法。

注意:无论那种接法，为了使三极管具有正常的电流放大作用，必须给发射结加正向偏置电压，发射区才能起到向基区注入载流子的作用；必须给集电结加反向偏置电压（一般几～几十伏），在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基区，并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区，使集电区起到收集载流子的作用。

各电极电流关系及电流放大作用设UCC=6V，改变可变电阻RB,则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表所示。(1)IE=IB+IC，符合基尔霍夫定律(2)IC>>IB，IC

IE

(3)IC>>IB把基极电流IB的微小变化能够引起集电极电流IC较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。晶体管内部载流子的运动规律(常用公式)14.5.3特性曲线测量晶体管特性的实验线路UBE:BE节的电压UBC:BC节的电压UCE:晶体管的管压降ECBiBuBE+-UCE输入特性：发射结电压UBE与基极电流IB的关系。输出特性：管压降UCE与集电极电流IC的关系。晶体管的共射特性曲线一、输入特性曲线≥1V③UCE≥1V，曲线基本重合原因：UCE增大到一定程度，集电区收集载流子能力足够强，再增加UCE，IC亦不再增加，曲线基本不变。iBuBEOECBiBuBE+-UCE=0①UCE=0，与二极管的正向特性曲线类似原因：相当于两个二极管并联。0.5V②UCE增大，曲线右移原因：UCE增大，集电区收集载流子能力增强，IC增加，相应地，基区复合掉的载流子数量减少，IB减少，曲线右移。开启电压与导通电压的概念同二极管uBEiB返回输出特性曲线①取IB=IB2，起始部分很陡，UCE≥1V后，较平坦。原因：UCE较小时，UCE增加，集电区收集能力增强，使IC增强；UCE≥1V后，集电区收集能力足够大，IC不再增强。②IB取不同的值，可得到一组曲线。原因：

相同UCE下，IB增加，IC增加，曲线上移。iCuCEECB+-uCEiC0IB=0IB1IB2IB3IB4IB5返回返回返回晶体管的三个工作区域②放大区：发射结正偏，集电结反偏特点：iC=βIB；

uCE增加，iC基本不变①截止区：发射结电压小于开启电压Uon发射结反偏。特点：IB=0，iC≦ICEO③饱和区：发射结正偏，集电结正偏特点：uCE<uBE，iC≦βIB饱和压降：UCE(sat)≈0.1V，iC取决于外电路。

uCEiC0IB=0IB1IB2IB3IB4IB5放大区截止区饱和区IBiCiC=0uCEECBiCuCE=0ECB晶体管的开关特性：T截止，开关断开；T饱和，开关闭合特性归纳输入特性同二极管的正向特性UBEIB输出特性一组曲线（一个IB对应一条曲线）放大区：UBE>0UCE>UBE

发射结正偏，集电结反偏IC=ßIB电流放大作用截止区：UBE<0IB<=0IC

0发射结反偏，集电结反偏饱和区：UBE>0UCE<UBE

发射结正偏，集电结正偏IC与ßIB无关无电流放大作用晶体管的离散性测试工具：晶体管图示仪返回是否β越大越好呢？2.集-基极反向截止电流ICBOICBO就是发射极开路时集电结的反向电流，与单个p-n结的反向饱和电流基本上相同，理想情况下都是少子的扩散电流；只是晶体管中的ICBO一般要比单个p-n结的反向饱和电流稍大一些（因为基区宽度很窄，基区中少子的浓度梯度较大一些）。ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度上升，ICBO增大。3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO发射极接地、基极开路时器件的反向电流，又称为穿透电流。

ICEO=(1+β)ICBO由于集电结反偏，通过的电流即是很小的ICBO；又由于发射结正偏，晶体管处于放大状态，有一定的放大作用，因此通过器件的电流就成为β×ICBO＋ICBO，这就是ICEO。所以，ICEO>>ICBO。

ICE