电工学下册课件第1章 常用半导体器件

第1章常用半导体器件1.4半导体的导电特性1.11.21.3半导体二极管特殊二极管晶体管2023/2/511.二极管的单向导电特性

重点：3.理解三极管内部载流子的运动2.二极管电路的分析方法4.三极管的放大条件和电流分配关系2023/2/521.1半导体的导电特性

在物理学中根据材料的导电能力，可以划分为导体、绝缘体和半导体。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。导电能力介于导体与绝缘体之间的物体半导体：典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。2023/2/53(可做成温度传感器，如热敏电阻)掺杂性：掺入某种微量杂质，导电能力明显改变光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管）(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。1.1半导体的导电特性半导体的特性：2023/2/541.本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体，称为本征半导体。单晶硅中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。价电子制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。SiSiSiSi1.1半导体的导电特性价电子决定导电性能2023/2/55在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚，不会成为自由电子晶体中原子的排列方式1.1半导体的导电特性因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。自由电子浓度决定导电能力2023/2/56SiSiSiSi价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电）本征半导体的导电机理1）本征激发（热激发）空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子1.1半导体的导电特性同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。复合：自由电子填补空穴同时消失的过程激发与复合动态平衡2023/2/572）两种载流子自由电子和空穴都称为载流子1.1半导体的导电特性2023/2/582）两种载流子

当半导体两端加上外电压时，两部分电流

:注意：自由电子和空穴都称为载流子自由电子作定向运动电子电流价(束缚）电子填补空穴空穴电流本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能愈好1.1半导体的导电特性虚拟出来的2023/2/59SiSiSiSi2.N型半导体和P型半导体

掺杂后,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子型半导体或N型半导体。掺入五价元素p+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正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

N型半导体:自由电子--多(数载流)子

空穴--少(数载流)子1.1半导体的导电特性+++++++++2023/2/510SiSiSiSi

因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴型半导体或P型半导体。掺入三价元素B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴本征半导体和杂质半导体都是中性的，对外不带电P型半导体:空穴--多子自由电子--少子1.1半导体的导电特性－－－－－－－－－2023/2/5113.PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。++++++++++++++++++++++++形成空间电荷区PN结形成－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－1.1半导体的导电特性2023/2/5123.PN结的形成空间电荷区也称PN结1.1半导体的导电特性2023/2/513－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++－－－－－－4.PN结的单向导电性加正向电压（正向偏置）空间电荷区变窄

P接正、N接负

IF

PN结加正向电压时，正向电流较大，正向电阻较小，称PN结处于导通状态。内电场外电场内电场

多子扩散加强

大的扩散电流

P区N区1.1半导体的导电特性+–R2023/2/514－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++－－－－－－空间电荷区变宽加反向电压（反向偏置）IR

P接负、N接正温度对反向电流影响很大–+

PN结加反向电压时，反向电流较小，反向电阻较大，称PN结处于截止状态。P区N区内电场外电场内电场

阻止扩散、促进少子漂移

很小的漂移电流

1.1半导体的导电特性2023/2/515要点回顾:半导体半导体特性：热敏性、光敏性、掺杂性本征半导体杂质半导体本征激发N型半导体：P型半导体：电子空穴PN结形成导电能力很弱自由电子空穴对两种载流子+++++++++－－－－－－－－－PN结单向导电性正向导通、反向截止2023/2/516PN结加正向电压呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。1.1半导体的导电特性2023/2/517

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(a)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。点接触型

二极管的结构示意图1.2半导体二极管1.二极管的结构2023/2/518平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。面接触型二极管

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型二极管的代表符号1.2半导体二极管P区N区2023/2/519半导体二极管图片1.2半导体二极管2023/2/5201.2半导体二极管2023/2/5211.2半导体二极管2023/2/522半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。1.2半导体二极管2023/2/523半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B1.2半导体二极管2023/2/5242.伏安特性硅管0.5V锗管0.2V反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。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0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数(很小）1.2半导体二极管2023/2/525

3.二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1.2半导体二极管正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V理想二极管正向导通时正向管压降为零反向截止时相当于断开。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。分析方法：理想开关2023/2/526例1

整流电路,画出vO的波形（a）电路图1.2半导体二极管vsvovs>0,D导通，vo=vsvs<0,D截止，vo=0半波整流波形2023/2/527例2.单相桥式整流电路

u

正半周，Va>Vb，二极管

D1、D3

导通，D2、D4

截止。－uotRLuiouo1234ab+

–+

–－u

u

负半周，Vb>Va，二极管

D2、D4

导通，D1、D3

截止。－+全波整流波形2023/2/528电路如图，求：UAB

V阳>V阴二极管导通例3：

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。二极管起钳位作用D6V12V3kBAUAB+–1.2半导体二极管－6V－12V若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V若给定管压降为0.7V2023/2/529ui>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4：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––1.2半导体二极管若给定管压降为0.7V2023/2/5301.2半导体二极管

VD2导通后，uo=0，VD1截止2023/2/5311.3特殊二极管UZ稳定电压IZ稳定电流IZM最大稳定电流UZ

IZ伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此稳定电压特性，做成稳压管_+UIO1.稳压二极管符号2023/2/532稳压电路正常稳压时VO=VZ上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ

，VO的波形是怎样的？1.3稳压二极管UIOIZIZMUZ2023/2/533稳压管的主要参数动态电阻稳定电流

IZ、最大稳定电流

IZM最大允许耗散功率rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。1.3稳压二极管UIOIZIZMUZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数PZM=UZIZM稳定电压UZ电压温度系数u2023/2/534（a）符号（b）电路模型（c）特性曲线

1.3特殊二极管2.光敏二极管2023/2/535符号光电传输系统

LED工作原理：发光二极管也具有单向导电性。当外加反向偏压，二极管截止不发光,当外加正向偏压，二极管导通，因流过正向电流而发光1.3特殊二极管3.发光二极管（LED)2023/2/5361.4晶体管（BJT）1.基本结构符号：BECBECNPN型三极管PNP型三极管NNP发射极集电极NPN型BECPNP型PPNBEC基极发射极集电极基极电流方向从P到N2023/2/537要点回顾:二极管的伏安特性UI二极管电路的分析方法断开，分析阴极和阳极的电位稳压管工作在反向击穿区硅管0.5V锗管0.2V导通压降硅0.7V锗0.3V死区电压PN–+反向击穿电压U(BR)2023/2/5381.4晶体管（BJT）1.基本结构符号：BECBECNPN型三极管PNP型三极管NNP发射极集电极NPN型BECPNP型PPNBEC基极发射极集电极基极电流方向从P到N2023/2/539基区：最薄，一般在几个微米至几十个微米掺杂浓度很低发射区：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：面积最大管芯结构剖面图2023/2/5402.电流分配和放大原理三极管放大的外部条件EBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏集电结反偏从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

BECNNPPPNBEC

VC>

VB>VE

VE>

VB>VC硅管|VBE|=0.7V锗管|VBE|=0.3VVB<VEVC<VB2023/2/541发射结正偏、集电结反偏PNPNPN

VC>

VB>VE

VE>

VB>VC硅管|VBE|=0.7V锗管|VBE|=0.3V测得放大电路中2只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。

2023/2/542cbeN+NPVEEVCCReRc内部载流子的传输过程

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。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子

IEIBICIEIENICBO三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

IBE发射结集电结2023/2/543内部载流子的传输过程发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子

2023/2/544各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。

实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB基极电流BEC2023/2/545三极管的放大作用，主要是依靠发射区发射电子能够通过基区，并被集电区收集而实现的。条件是：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。小结：2023/2/5463.三极