电工学课件半导体器件

《电工学》上册电工技术

第1章电路的基本概念与基本定律

第2章电路的基本分析方法第3章电路的暂态分析第4章正弦交流电第5章三相电路1《电工学》下册电子技术第14章半导体器件

第15章基本放大电路第16章集成运算放大器第17章电子电路中的反馈第18章直流稳压电源2电子技术第十四章

半导体器件模拟电路部分3

1．第一代电子器件——电子管1906年，福雷斯特（LeeDeFordst）等发明了电子管，是电子学发展史上第一个里程碑。用电子管可实现整流、稳压、检波、放大、振荡、变频、调制等多种功能电路。电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。42．第二代电子器件——晶体管1948年，肖克利（W.Shckly）等发明了半导体晶体管，其性能明显优于电子管，从而大大促进了电子技术的应用与发展。晶体管的发明是电子学历史上的第二个里程碑。尽管晶体管在体积、重量等方面性能优于电子管，但由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。53．第三代电子器件——集成电路1958年，基尔白等提出将管子、元件和线路集成封装在一起的设想，三年后，集成电路实现了商品化。当前，单个芯片可集成器件成千上万个，例如，CPU芯片P6内部就封装了550万只晶体管。集成电路的发展促进了电子学、特别是数字电路和微型计算机的发展，人类社会开始迈进信息时代。6第十四章半导体器件§14.1半导体的导电特性§14.2

PN结及其单向导电性结§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714.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。§14.1半导体的导电特性8半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。914.1.2本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。10提纯的硅材料可形成单晶——单晶硅相邻原子由外层电子形成共价键(covalentbond)共价键本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。11硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。12共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱，相当于绝缘体。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+413+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子二、本征半导体的导电机理1.载流子、自由电子和空穴★空穴和自由电子都称为载流子。142.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。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。15温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响本征半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。1614.1.3杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体（在硅或锗中掺入少量的三价元素硼）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体（在硅或锗中掺入少量的五价元素磷）。17+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。一、N型半导体18二、P型半导体+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1.由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子相同。P型半导体中的载流子是什么？2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。19三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。2014.2.1PN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，并在局部再掺入浓度较高的杂质，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。§14.2PN结及其单向导电性14.2.1PN结的单向导电性2114.2.2PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：

P区加负、N区加正电压。22－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_外电压使得内电场被削弱，形成较大的扩散电流。理解为正向导通。23二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_外加电压使得内电场被被加强，抑制了多子的扩散，只有少子漂移而形成较小的反向电流。理解为反向截止。RE24§14.3半导体二极管二极管的基本结构二极管的伏安特性二极管的主要参数25(1)点接触型—(a)点接触型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路基本结构：点接触型、面接触型和平面型PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。14.3.1二极管的基本结构26(c)平面型(3)平面型—(2)面接触型—(b)面接触型符号旧符号新符号阳极(Anode)阴极(Cathode)标记D1D2DiodePN结面积大，用于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。27二极管的分类根据制造二极管的半导体材料分为硅、锗等；根据二极管的结构分为点接触、面接触等；根据二极管的工作频率分为低频、高频等；根据二极管的功能分为检波、整流、开关、变容、发光、光敏、触发及隧道二极管等；根据二极管的功率特性分为小功率、大功率二极管等；…………28

14.3.2二极管的伏安特性UI死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR29二极管理论伏安特性曲线OD段称为正向特性。OC段，正向电压较小，正向电流非常小，只有当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个电压称为死区电压，亦称开启电压。CD段，当正向电压大于死区电压后，正向电流近似以指数规律迅速增长，二极管呈现充分导通状态。正向导通ADCBiDuDOUBR30OB段称为反向特性。这时二极管加反向电压，反向电流很小。当温度升高时，半导体中本征激发增加，是少数载流子增多，故反向电流增大，特性曲线向下降。

反向击穿BA段称为反向击穿特性当二极管外加反向电压大于一定数值时，反向电流突然剧增，称为二极管反向击穿。反向截止二极管理论伏安特性曲线ADCBiDuDOUBR31iDouD20406080100(mA)(v)-40-80-0.1-0.20.40.82AP15的伏安特性曲线2CP1020的伏安特性曲线~iDouD-200-10020406080100-10-30-2075℃20℃(mA)(v)(μA)12材料开启电压（V）导通电压（V）反向饱和电流（μA）硅（Si）≈0.50.6~1<0.1锗（Ge）≈0.10.2~0.5几十二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。32型号命名规则国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：P33部分国产半导体高频二极管参数表最高反向工作电压（峰值）V反向击穿电压

V正向电流

mA反向电流μA最高工作频率MHZ极间电容

Pf最大整流电流mA2AP120≥40≥2.5≤250150≤1162ck7100≥150≥5.0≤250300≤0.120部分国产半导体整流二极管参数表最大整流电流A最高反向工作电压（峰值）V最高工作电压下的反向电流（125度）

μA正向压降（平均值）

V最高工作频率

MHZ2CZ52A0.1251000≤0.832CZ54D0.514001000≤0.832CZ57F530001000≤0.8334二极管的等效电路（一）理想二极管等效电路当外加正向电压时，二极管导通，正向压降uD=0,相当于开关闭合；iDuD0D特性曲线的近似等效电路当外加反向电压时，二极管截止，反向电流IR=0，相当于开关断开。35(二）考虑正向压降的等效电路DKUD在二极管充分导通且工作电流不是很大时，可以近似认为UD为常数，用一个直流电压源UD来等效正向导通的二极管。当外加正向电压大于UD时，二极管导通，开关闭合，二极管两端压降为UD；当外加电压小于UD时，二极管截止，开关断开。特性曲线的近似等效电路iDuDUD036（三）小信号模型（微变模型等效电路）QiuuDiDV-A特性Q为静态工作点+ui-+uo-实际电路RLrdRL+ui-+uo-微变等效电路在模拟电路里面，二极管多数工作在小信号状态。也即工作在某个很小的区域。所以通常用小信号模型来代替二极管。即把二极管看成一个等效电阻。其电阻值

rd

为：3714.3.3二极管的主要参数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.反向击穿电压UBR，反向工作峰值电压URWM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。手册上给出的反向工作峰值电压URWM一般是UBR的一半。383.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。硅管的反向电流比锗管较小。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。39RLuiuouiuott例14.1：二极管半波整流二极管的应用举例理想二极管40例14.2：分析uR、uo的波形tttuiuRuoRRLuiuRuoC设RC为一微分电路41例14.3设图示电路中的二极管性能均为理想。试判断各电路中的二极管是导通还是截止，并求出A、B两点之间的电压ＵAB值。

V115V10VV2R2KWUABB+_D2AD1(a)V115V10VV2R2KWUABB+_D2AD1(b)42解：判断电路中二极管导通的方法：

假定电路即将导通，判断电路中各二极管上的压降。压降高的管子优先导通。对于图a，在电路即将导通时，D1、D2上的正偏电压分别为10V，－5V。D2反偏电压为15VD1导通ＵAB=0VD2截止V115V10VV2R2KWUABB+_D2AD1(a)43对于图b，在电路即将导通时，即D1上的反偏电压为15VD2优先导通D1截止D1、D2上的正偏电压分别为:10V，25VＵAB=－15VD2优先导通后V115V10VV2R2KWUABB+_D2AD1(b)44§14.4稳压二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管稳压二极管的伏安特性曲线与普通二极管类似，差异是其反向特性曲线比较陡稳压二极管工作在反向击穿区，击穿后电流虽然在很大范围变化，但稳压二极管两端电压变化很小（稳压）稳压二极管与普通二极不一样，反向击穿是可逆的45UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。稳压二极管的伏安特性++46稳压二极管的参数1、稳定电压

UZ稳压二极管正常工作时两端的电压。2、电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。一般说低于6V时电压温度系数为负，高于6V时温度系数为正。3、动态电阻474、稳定电流IZ、最大稳定电流Izmax。稳定电流IZ是稳压二极管工作时的参考电流。5、最大允许功耗稳压二极管的参数48稳压二极管的应用举例例14.4.1稳压电路如图，各参数是否合适？+20VIZR=1.6KDZUZ=12VImax=18mA解：能正常工作。49负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。uoiZDZRiLiuiRL例14.4稳压管的技术参数如下:求：电阻R和输入电压ui的正常值。50uoiZDZRiLiuiRL解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。——方程1令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。51——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：52例14.5

已知稳压管的稳压值UZ＝6V，稳定电流的最小值IZmin＝5mA。求图所示电路中UO1和UO2各为多少伏。解：UO1＝6V，UO2＝5V。

5314.5.1基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型§14.5双极型晶体管54BECNNP基极发射极集电极发射结集电结两个PN结55BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高56本章只讨论NPN型晶体管的工作原理。如图所示，对NPN型晶体管加EB和EC两个电源，接成共发射极接法构成两个回路。14.5.2电流分配和放大原理57通过实验及测量结果，得：(1).

(2).IC(或IE)比IB大得多，(如表中第三、四列数据)IB(mA)00.020.040.060.080.10IC(mA)<0.0010.701.502.303.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.0558(4).要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏置——具有放大作用的外部条件。IB的微小变化可以引起IC的较大变化(这就是晶体管的电流放大作用)。IB(mA)00.020.040.060.080.10IC(mA)<0.0010.701.502.303.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05(3).当IB=0(基极开路)时，Ic也很小(约为1微安以下)。59BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE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。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。晶体管放大原理60BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE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。61IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE62BECIBIEICNPN型晶体管BECIBIEICPNP型晶体管ICE与IBE之比称为电流放大倍数：63ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

实验线路14.5.3特性曲线64一、输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。65二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。66IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。67IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。68输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

69例14.6：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB

=-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区

70IC<

ICmax(=2mA)，

Q位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V时：例14.6：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？71USB

=5V时:ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于饱和区，此时IC和IB

已不是倍的关系。例14.6：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？72例14.7：用万用表直流电压档测得电路中晶体管各电极的对地电位如图所示，试判断这些晶体管的工作状态。解：放大截止损坏饱和7314.5.4主要参数前面的电路中，晶体管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的晶体管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和

74例14.8：UCE=6V时：IB=40A时IC=1.5mA；

IB=60A时IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=752.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。76BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。晶体管的温度特性较差。774.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致晶体管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，晶体管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。786.集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC

流过晶体管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE必定导致结温上升，所以PC

有限制。PCPCMICUCEICU