第7章半导体器件

第7章半导体器件本章要求：1.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；2.了解二极管、稳压管和三极管的工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；3.会分析二极管和三极管的电路。

☆学会用工程分析方法，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。

1.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。

2.元器件本身是非线性的，具有分散性，元器件的值有误差，工程上允许一定的误差。☆对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。7.1半导体的基本知识为什么具有这些导电特性？半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显 改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二 极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化

(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)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强单晶硅(Si)的原子结构平面示意图SiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键价电子常用的半导体材料：硅Si(Silicon)

和锗Ge(Germanium)

均为四价元素，原子最外层有4个价电子。一、本征半导体（纯净半导体）这种纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。本征半导体的导电性：SiSiSiSiSiSiSiSiSi温度(T)一定时，载流子数量一定。当T↑时，载流子数量↑。(3)价电子依次填补空穴，进而产生了电子电流和空穴电流。(2)在室温下受热激发时，(1)在绝对零度

(T=0K)时不导电，相当于绝缘体；产生电子空穴对；半导体中有两种载流子：电子和空穴这就是半导体导电的重要特点。自由电子空穴

半导体的导电性能受温度影响很大。SiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键二、杂质半导体---N型半导体和P型半导体掺入微量的五价元素：磷P(或锑)1.N型半导体:多数载流子为电子，少数载流子为空穴。在室温下就可以激发成自由电子SiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键掺入微量的三价元素：硼B(或铝)2.P型半导体:受主原子空位吸引邻近原子的价电子填充。多数载流子为空穴，少数载流子为电子。二、杂质半导体综上所述：无论N型还是P型半导体，对外都呈电中性。注意：(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。其中电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。(3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。1.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练习题：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)面接触型一、基本结构阴极阳极

D7.2半导体二极管按材料分：硅(Si)管和锗(Ge)管；按工艺分：点接触型和面接触型；符号：(Diode)阳极阴极管壳按用途分：整流管、稳压管、开关管等。PN型号：2AP15二极管C:N型Si材料极性A:N型GeB:P型GeD:P型Si类型P:普通管Z:整流管K:开关管W:稳压管序号例如2CZ10,2CW18等。半导体二极管实物图片二、伏安特性反向击穿电压UB导通管压降UDUI死区电压UTPN+–PN–+另外,伏安特性与温度T有关，当T↑时,UT↓,UB↓,IR↑。iD

=0UT=0.5V(硅管)0.1V(锗管)UUTiD急剧上升0U

UT

UD=0.7V(硅管)0.3V(锗管)︱U︱<︱UB︱

iD=IS

(反向饱和电流)︱U︱>︱UB︱反向电流急剧增大二极管被反向击穿正向特性：反向特性：二极管具有单向导电特性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）大于死区电压时，二极管处于导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。

导通时管压降：硅0.7V；锗0.3V2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。当反向电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。

问题：如何判断二极管的好坏及其正负极性？

三、应用:

二极管正向压降:硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V若忽略管压降，则为理想二极管:

正向导通时，二极管相当于短路;反向截止时，二极管相当于开路。广泛地应用于整流、检波、限幅与削波、钳位与隔离、元件保护以及开关电路中。“开关特性”问题：如何判断二极管是导通还是截止？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：若V阳>V阴或UD>0（正向偏置），二极管导通；若V阳>V阴或UD<0（反向偏置），二极管截止。判断二极管是导通还是截止？并计算电压UAB(

二极管正向压降忽略不计)。忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V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。V阳=－6V，V阴

=－12V

∵V阳>V阴，∴二极管导通。若不是理想二极管，则二极管为Ge管时,UAB为－6.3Ｖ；二极管为Si管时,UAB为－6.7V。解：D6V12V3kBAUAB+–(a)两个二极管的阴极接在一起(即共阴极)，此时阳极与阴极电位差大者，优先导通。(b)在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–解：∴D2优先导通电压UAB

=0V设B点为电位参考点，则电位V1阳=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12V阳极与阴极的电位差UD1=6V，UD2=12VD2导通后,V1阴=0V,

D1承受反向电压，∴

D1截止。二极管共阴极接法，阳极电位高的优先导通；二极管共阳极接法，阴极电位低的优先导通。ui>8V时，二极管导通，D可看作短路uo=8Vui<8V时，二极管截止，D可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例2：ui18V二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––

D

起限幅(或削波)作用。若D反向放置,uo

波形如何？若R与D对调,uo

波形又如何？

正负对称限幅电路:已知ui=5sinωt(V)，二极管导通电压UD＝0.7V。试画出ui与uo波形，并标出幅值。例3：反向特性曲线很陡7.3稳压二极管IZ2.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稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中实现稳压作用。IZIZM_+阴极阳极

DZ

1.符号：UZUZUIO–++–DZ

DZ

正向特性与普通二极管相同3.主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(3)动态电阻(2)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(4)最大允许耗散功率 PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。UZIZIZIZMUIUZ例在下图中，通过稳压二极管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？+20VR=1.6kΩUZ=12VIZM=18mA解：=5mAIZ<IZM,电阻值合适。7.4半导体三极管一、基本结构(1)NPN型符号：(2)PNP型C集电极B基极E发射极集电区NP基区发射区N集电结发射结EBCEBC符号：C集电极B基极E发射极集电区PN基区发射区P集电结发射结IEIEIBIB很薄且掺杂浓度最低掺杂浓度最高结构特点：掺杂浓度次之这些结构特点是它具有电流放大作用的内在条件。C集电极B基极E发射极集电区NP基区发射区N集电结发射结二、电流放大原理发射结正偏、集电结反偏(2)对PNP型三极管发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

(1)对NPN型三极管

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

即VC>VB>VE

集电极电位最高

即VE>VB>VC

发射极电位最高BECNNPEBRBECRCIEICIBBECPPNEBRBECRCIEICIB共射极放大电路1.三极管放大的外部条件UBE=0.3V,0.7VUBE=-0.3V,-0.7V2.各极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.010.701.502.303.103.950.010.721.542.363.184.051）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB基极电流的微小变化IB能够引起较大的集电极电流变化IC,这就是三极管的电流放大作用。

BECNNPEBRBECRCIEICIB发射极是输入回路、输出回路的公共端共射放大电路输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++三、特性曲线1.输入特性特点:非线性正常工作时发射结电压：NPN型硅管，UBE≈0.7VPNP型锗管，UBE≈0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VOUBEIB+–RBEB2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O输出特性曲线通常分三个工作区：ICmAUCEIBECV+––+2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120放大区(1)放大区在放大区有IC=IB

，称为线性区，具有恒流特性。发射结正偏、集电结反偏，晶体管工作于放大状态。（2）截止区IB=0以下区域，有IC0

。发射结、集电结均反偏，晶体管工作在截止状态。（3）饱和区

当UCEUBE时，晶体管工作在饱和状态。IC<IB发射结、集电结均正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。饱和区截止区UCES四、主要参数1.电流放大系数，直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成共射极电路时，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：和的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值近似。常用晶体管的值在20~200之间。2.集-基极反向饱和电流ICBO

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ICBOICBOA+–EC3.集-射极穿透电流ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4.集电极最大允许电流ICM5.集-射极反向击穿电压UCEO(BR)IC超过一定值时，其值要下降。当集—射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压UCEO(BR)

。6.集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区ICUCEO过损耗区过流区反向击穿区工作在放大状态，利用IB对IC的控制作用。1.用于交流放大电路中

IC=ICEO≈0，c、e之间相当于断路，三极管相当于一个开关处于断开状态。

UCES≈0，c、e之间相当于短路，三极管相当于一个开关处于接通状态。2.用于数字电路中工作在截止或饱和状态，利用其开关特性。截止时：饱和时：“开”“关”五、半导体三极管应用★三极管型号的含义(2)用字母表示三极管的材料与类型。如A表示PNP型锗管，B表示NPN型锗管，C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。(3)由字母组成，表示器件类型，即表明管子的功能。如:X表示低频小功率管，G表示高频小功率管，D表示低频大功率管，A表示高频大功率管。

三极管的型号一般由五部分组成,如3AX31A、3DG12B、3CG