第七版-第14章 半导体器件-2012

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光电器件目录14.1半导体的导电特性半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性本征半导体就是完全纯净的半导体。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.硅的原子结构14.1.1本征半导体纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体

——晶体管名称的由来本征半导体晶体结构中的共价健结构SiSiSiSi共价键价电子自由电子与空穴共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子同时在共价键中留下一个空穴。空穴SiSiSiSi自由电子SiSiSiSi热激发与复合现象

由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象--热激发自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象温度一定时，本征半导体中的自由电子—空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子—空穴对数目越多。半导体导电方式在半导体中，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因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。SiSiSiSi当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动。14.1.2N型半导体和P型半导体N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。电子型半导体或N型半导体SiSiP+Si多余电子P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。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。14.2PN结及其单向导电性1外加正向电压使PN结导通PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多数载流子的扩散电流——正向电流–+PNRI2外加反向电压使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–+PNRI≈0结论PN结具有单向导电性（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。14.3

二极管14.3.1基本结构PN结阴极引线铝合金小球金锑合金底座N型硅阳极引线面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型表示符号14.3.2伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压

半导体二极管的伏安特性是非线性的。

死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管：0.1伏左右。正向压降：硅管：0.7伏左右，锗管：0.2~0.3伏。1正向特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压反向击穿电压U（BR）2反向特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压14.3.3主要参数1最大整流电流IOM：二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。2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。3反向峰值电流IRM:

二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。例: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。设二极管正向压降0.3vVY=+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。Y-12VAB+3V0VDBDAR

二极管电路分析举例定性分析：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：UABV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。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：UABBD16V12V3kAD2UAB+–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：ui18V二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––14.4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。1稳压管表示符号：

正向+-反向+-IZUZ2稳压管的伏安特性：3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。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿是可逆的。U/VI/mA0IZIZMUZ

4主要参数（2）电压温度系数（1）稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数

（3）动态电阻（4）稳定电流（5）最大允许耗散功率rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。

PZM=UZIZM

例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用当U<UZ

时,电路不通；当U>UZ

时,稳压管击穿;此时选R，使IZ<IZM14.5双极型晶体管14.5.1基本结构结构平面型合金型NPNPNPNNPBECCEB发射结集电结BNNP发射区基区集电区EC发射极基极集电极PPNBECCEB发射结集电结BPPN发射区基区集电区EC发射极基极集电极14.5.2电流分配和放大原理µAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共发射极接法晶体管电流测量数据由此实验及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比IB

大的多。(3)当IB=0（将基极开路）时，IE=ICEO，ICEO<0.001mAECµAmAmAIBICIERBEBBCEIB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。

外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。RBEC++__EBEBCNNP电流方向和发射结与集点结的极性CEBCEB14.5.3

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++__EBBE3DG6V+_+_UBEUCEC1输入特性曲线：死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管0.1伏左右。正常工作时，发射结的压降：

NPN型硅管UBE=0.6-0.7V;PNP型锗管UBE=0.2-0.3V。00.40.8UBE/VIB/µA80604020UCE>1

µAmAVIBICRBEC++__EBBE3DG6V+_+_UBEUCEC2输出特性曲线

晶体管的输出特性曲线是一组曲线。µAmAVIBICRBEC++__EBBE3DG6V+_+_UBEUCECUCE/V13436912IC/mA10080604020µAIB=002晶体管的输出特性曲线是一组曲线。晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：（1）放大区（2）截止区（3）饱和区（1）放大区（线性区）1324369IC/mA10080604020µAIB=00放大区UCE/V

输出特性曲线的近似水平部分。发射结处于正向偏置；集电结处于反向偏置（2）截止区IB=0曲线以下的区域为截止区

对NPN型硅管而言，当UBE〈0.5V时，即已开始截止，为了截止可靠，常使UBE小于等于零。132436912IC/mA10080604020µAIB=00截止区UCE/V（3）饱和区

当UCE〈UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态

在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成比例13436912IC/mA10080604020µAIB=002饱和区UCE/VIC+_+_+_IBUCEUBC<0UBE>0放大区IC≈0+_+_+_IB=0UCE≈UCCUBC<0UBE≤0截止区IC≈+_+_+_IB≥I'BUCE≈0UBC>0UBE>0饱和区UCCRC14.5.4主要参数1电流放大系数：静态电流（直流）放大系数：动态电流（交流）放大系数注意：两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接近。在估算时，常用近似关系（1）（2）对于同一型号的晶体管，值有差别，常用晶体管的

值在20-100之间。2集—基极反向截止电流ICBOICBO=IC|IE=0ICBO受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的I