第十四章 半导体器件

1电工学下册电子技术电控学院袁海英2模拟电子技术数字电子技术平时成绩:30％期末考试:70％总学时：80学时理论课＋实验课3第十四章二极管和晶体管14.1半导体的基础知识14.2PN结及半导体二极管14.3稳压管14.4晶体管(半导体三极管)14.5光电器件4本章要求1.掌握二极管、稳压管、三极管的工作原理、伏安特性、特性曲线及主要参数。掌握二极管、三极管的应用方法。2.理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；3.了解二极管、稳压管和三极管的基本构造。5主要内容重点:掌握二极管、稳压管、三极管的伏安特性及主要参数。掌握二极管、三极管的应用方法二极管

三极管

稳压管6§14.1半导体的基本知识14.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中容易导电的物质（大多数金属）。绝缘体：几乎不导电的物质（橡皮、陶瓷、塑料和石英）。半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质（锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物）。7

半导体的导电特性当受外界热和光的作用时，其导电能力明显变化。往纯净半导体中掺入某些杂质，会改善其导电性。-------热敏性和光敏性-------掺杂性8常见半导体硅(Si)和锗(Ge)原子结构中,最外层电子都是四个,称为“四价半导体”。

GeSi价电子价电子价电子：原子结构图中，最外层的电子。9本征半导体：完全纯净的、具有晶体结构的半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健

Si

Si

Si

Si价电子14.1.2本征半导体邻近的两个原子各出一个价电子，构成共价键。10共价键共用电子对硅的共价键结构SiSiSiSi共价键中，两个价电子被紧紧束缚,热力学温度零度（T=0K,-273ºC）下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子。结论：本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。电子？价电子？自由电子？11SiSiSiSi本征半导体的导电机理空穴

价电子获得能量（温升或光照）后，挣脱原子核束缚，成为自由电子（－），同时共价键中留下一个空位，成为空穴（＋）。本征激发现象价电子自由电子12SiSiSiSi现象：外电场作用下，空穴吸引临近的价电子来填补。过程：自由电子和空穴成对产生，同时又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中维持一定数目的载流子。结果：相当于空穴的迁移（正电荷的移动）结论：空穴也是载流子！13本征半导体的导电机理半导体中有两种载流子：自由电子和空穴

温度载流子数目半导体导电性。

温度对半导体器件性能影响很大！本征半导体中载流子数目少,导电性能差。两端外加电压时，出现两部分电流：

自由电子作定向运动电子电流价电子递补空穴空穴电流1414.1.3杂质半导体杂质半导体：掺入杂质（三价或五价微量元素）的本征半导体。在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质使半导体的某种载流子浓度大大增加改善半导体的导电性15

N型半导体（电子半导体）：掺入五价杂质元素（如磷）使自由电子浓度大大增加的杂质半导体。P型半导体（空穴半导体）：掺入三价杂质元素（如硼）使空穴浓度大大增加的杂质半导体。两类半导体16SiSiP+SiN型半导体多余电子磷原子N型半导体中，自由电子是多子，主要由杂质原子提供；空穴是少子,

由热激发形成。磷原子的最外层有五个价电子：四个与相临的硅原子形成共价键；多出一个电子几乎不受束缚，易被激发成为自由电子。掺入五价元素每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。掺杂后自由电子数目猛增主要导电方式：自由电子导电

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为不能移动的正离子N型半导体18N型半导体中的载流子是什么？1、由杂质原子提供的自由电子，浓度与杂质原子相同。2、本征半导体中由热激发成对产生电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度。自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多子，空穴称为少子。小结一下硼原子的最外层有三个价电子，与相临硅原子形成共价键时，产生一个空穴，可能吸引束缚电子来填补。掺入三价元素

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一个电子变为不能移动的负离子空穴P型半导体无论N型或P型半导体均呈中性，对外不呈电性。20SiSiB-Si空穴P型半导体硼原子硼原子接受电子，称为受主原子。掺杂后空穴数目猛增。主要导电方式：空穴导电。P型半导体中，空穴是多子，主要由杂质原子提供；自由电子是少子,

由热激发形成。21杂质半导体的示意表示P型半导体N型半导体221.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）。abc4.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）ba练一练23§14.2PN结及半导体二极管14.2.1PN结的形成PN

空间电荷区PN

内电场方向扩散运动漂移运动空穴自由电子扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，形成稳定的空间电荷区（PN结）。24多子的扩散运动浓度差形成空间电荷区空间电荷区形成内电场14.2.1PN结形成内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。形成稳定的空间电荷区（PN结）。25内电场外电场+++－－－－PN14.2.2PN结的单向导电性+变薄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结导通。内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。

P接正、N接负(1)PN结外加正向电压(正偏):外加电压使P区电位高于N区电位；

26内电场外电场+++－－－－+PN(2)PN结外加反向电压(反偏):外加电压使P区电位低于N区电位；

++++－－－－变宽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结截止。内电场被加强，多子扩散受抑制。少子漂移加强，但有限的少子只能形成较小的反向电流。

P接负、N接正

271.PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流：PN结导通。结论2.PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流：PN结截止。PN结具有单向导电性!2814.2.3半导体二极管1.基本结构PN结加上管壳和引线，构成半导体二极管。PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。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PN结面积大，用于工频大电流整流电路。29二极管符号PN(阳极)(阴极)阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型用于集成电路制作工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压UBR导通压降UD

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0.2~0.3V死区电压UTPN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。2.二极管伏安特性UI313.主要参数(1)最大整流电流IOM(2)反向击穿电压UBR(4)反向峰值电流IRM允许流过二极管的最大正向平均电流.(3)反向工作峰值电压URWM：约（1/2~1/3）UBR32iDvDIDVDQiDvD二极管特性曲线工作点Q附近电压变化与电流变化之比：rD是对Q附近的微小变化量的电阻。（5）微变电阻rD331.考虑正向压降的等效电路0uDiD(a)UD考虑正向压降的等效电路(a)特性曲线的近似(b)等效电路2.理想二极管等效电路理想二极管等效电路(a)特性曲线的近似(b)等效电路（一）等效电路4.二极管的等效电路及应用UPN>UT;D导通；UPN=UD。UPN≤UT;D截至；UPN开路。UPN>0V;D导通；UPN=0V。UPN≤0V;D截至；UPN开路。(b)KUDPN34RLuiuouiuott（二）二极管的应用(单向导电性)1.二极管半波整流整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。35二极管的单向导电性（1）正偏时导通，正向电阻较小，正向电流较大。（2）反偏时截止，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影响，温度愈高反向电流愈大。362.二极管电路分析定性分析：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。理想二极管：正向导通，管压降为零-短路

反向截止，开关断开-开路37例1.电路如图，求：UABV阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通忽略管压降，二极管视为短路，UAB=－6V；否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V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。

此处，二极管起钳位作用。

D6V12V3kBAUAB+–38ui>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例2.

已知理想二极管，试画出uo波形。8Vui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––39两个二极管的阴极相连，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。忽略管压降，二极管视为短路，UAB

=0VD1承受反向电压为－6V流过D2

的电流:例3

.求UAB。BD16V12V3kAD2UAB+–D2起钳位作用，D1起隔离作用。14.3稳压二极管1.符号

UZIZIZMUZIZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压稳压管在电路中的稳压作用：稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小。_+UIO41（4）稳定电流IZ最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数(U%/℃)（3）动态电阻

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。42+_+_稳压电路▲正常稳压时:▲稳压条件:▲必须加限流电阻4314.4半导体三极管14.4.1

基本结构晶体管的结构(a)平面型；(b)合金型BEP型硅N型硅二氧化碳保护膜铟球N型锗N型硅CBECPP铟球(a)(b)44半导体三极管的结构图。两类:NPN型和PNP型。NPN 型PNP 型NPN型符号PNP型符号

发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。

基极，用B或b表示（Base）45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：结面积最大14.4.2电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNP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

EBRBECRC

三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。47BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基区空穴向发射区的扩散可忽略

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ICBO2.内部载流子的传输过程VC>VB>VEECEB＞

发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE48IC=ICE+ICBOICEICIBBENNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

共发射极电流放大倍数集－射极穿透电流,温度ICEO若IB=0,则

ICICE0C49电流为三极管电流的实际方向电流关系：+UBE

ICIEIB

CTEB+UCENPN型三极管+UBE

IBIEICCTEB+UCEPNP型三极管测量数据IE=IC+IB;IE≈IC>>IB

14.4.3特性曲线特性曲线:管子各电极电压与电流的关系曲线，管子内部载流子运动的外部表现，反映晶体管性能，是分析放大电路的依据。

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;?51mAAVVICECIBRB+UBE+UCEEBCEB3DG100

共发射极接法特性曲线实验电路输入回路输出回路

发射极是输入、输出回路的公共端

共发射极电路1.

输入特性正常工作时发射结电压：

NPN型硅管：UBE0.6~0.7VPNP型锗管：UBE0.2~0.3V3DG100晶体管的输入特性曲线O0.40.8IB/AUBE/VUCE≥1V60402080死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。非线性！2.输出特性

共发射极电路ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEBIC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=03DG100晶体管的输出特性曲线在不同的IB下得出不同的曲线，晶体管的输出特性曲线是一簇曲线。输出特性曲线分为三个工作区对应晶体管的三种工作状态3DG100晶体管的输出特性曲线IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大区（线性区）放大区：IC=IB，恒流特性。放大区，发射结处于正偏、集电结处于反偏，晶体管工作于放大状态。Q2Q1大放区2.输出特性IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(2)截止区截止时,集电结也处于反偏(UBC<

0)：IC0,UCEUCC。截止区：IB=0曲线以下区域。IB=0时,IC=ICEO(很小，ICEO<0.001mA)。截止区IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(3)饱和区饱和区：IBIC，发射结、集电结均正偏。

深度饱和时：硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。

IC

UCC/RC。当UCE<UBE时，集电结正偏(UBC>0)，晶体管工作于饱和状态。饱和区57晶体管三种工作状态的电压和电流(a)放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+(b)截止IC0IB=0+UCEUCC

UBC<0++UBE

0

(c)饱和+UBE>

0

IB+UCE0

UBC>0+晶体管饱和时，UCE0，集射间如开关接通，电阻很小；晶体管截止时，IC0，集射间如开关断开，电阻很大。晶体管具有放大作用、开关作用！58

0

0.10.5

0.1

0.6~0.70.2~0.3

0.30.1

0.7

0.3硅管(NPN)锗管(PNP)

可靠截止开始截止

UBE/V

UBE/VUCE/VUBE/V

截止

放大

饱和

工作状态

管型晶体管结电压的典型值59工作于动态的三极管，工作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。1.电流放大倍数

和共射接法直流电流放大倍数：BCII=b交流电流放大倍数：BIICDD=b14.5.4主要参数反映晶体管特性，是设计电路、选用晶体管的依据。60例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A，IC=1.5mA；

在Q2点IB=60A，IC=2.3mA。计算中近似为：IB=020A40A60A80A100A36IC/mA1234UCE/V9120Q1Q2

Q1点：由Q1和Q2点，得612.集-基极反向截止电流ICBOAICBOBECICBO是集电结反偏由少子漂移形成的反向电流，受温度影响大。温度ICBO623.集-射极反向截止电流ICEOAICEOBEC

ICE