第1章 半导体器件

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1、第 1 章 半导体器件,第1章 半导体器件 第 1 节 半导体基础 第 2 节 半导体二极管 第 3 节 稳压二极管 第 4 节 晶体三极管 第 5 节 场效应管,第1章 重点,PN结的形成及其单向导电性,二极管的伏安特性,三极管的工作原理与伏安特性,第1节 半导体基础,一、半导体,导体：,当受外界热和光等作用时，它的导电能力明 显提高。,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。,半导体：,绝缘体：,很容易导电的物质。如：金属等,几乎不导电的物质。如：橡皮、陶瓷、塑料、石英等,导电特性处于导体与绝缘体之间的物质。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等,现代电子学中，用的最多的

2、半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,1. 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,本征半导体的导电机理,+4,+4,+4,+4,空穴,自由电子,束缚电子,热激发,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），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,这一现象称为本征激发。,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正

3、电荷的移动）。,在激发过程中，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流,自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，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，半导体中载流子便维持一定的数目。,注意： (1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差； (2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,2. 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。,使自由电子浓度大大增加的杂

4、质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体 （空穴半导体）。,N型半导体,多余电子,磷原子,P型半导体,空穴,硼原子,杂质半导体的示意表示法,1、本征半导体中为什么成对产生自由电子和 空穴?,4、多数载流子由什么决定？ 少数载流子由什么决定？,自由电子称为少数载流子（少子）， 空穴称为多数载流子（多子）。,3、P型半导体中的载流子是什么？,自由电子称为多数载流子（多子）， 空穴称为少数载流子（少子）。,2、N型半导体中的载流子是什么？,多子扩散运动 少子漂移运动,空间电荷区,耗尽层,阻挡层,二、PN结的形成,结合浓差多子扩散界面复合,空间电荷区形成内电场

5、E方向(NP)静电场 作用a.阻碍多子扩散,但是扩散愈多E愈强;b.利于少子漂移,但漂移愈多，E愈弱。 最终动态平衡,稳定.耗尽,阻挡层,空间电荷区PN结,PN结,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,电位V,V0,PN结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流，PN 结导通。,三、PN结的单向导电性,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流，PN结截止。,PN结的单向导电性,正向偏置 PN结导通,反向偏置

6、PN结截止,少子漂移电流(微),(P区高电位、N区低电位),(P区低电位、N区高电位),多子扩散电流（大）,第2节 半导体二极管,一、结构和类型,PN结加上引线和管壳，就成为半导体二极管。,二、伏安特性,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),线性工作区,反向饱和区,反向击穿区,死区电压 ,硅管0.6V,锗管0.2V,门坎区(死区),三、主要参数,2、最高反向工作电压 URM 允许施加的最高反向电压，为击穿电压UBR的一半左右。,势垒电容和扩散电容的综合效应,1、最大整流电流 IF 长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,4、最高工作频率fM,3、

7、反向电流 IR 指二极管加反向工作电压时的反向电流。反向电流越小越好。受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,四、理想二极管,含义：,相当于理想的开关。,反偏时，二极管完全截止(反向电流为零， 反向电阻为无穷大)，相当于开关 断开、开路。,正偏时，二极管完全导通(死区电压为零， 正向管压降为零，正向导通电阻为 零)，相当于开关闭合导通；,1.限幅电路,电路如图。已知ui=10sint(V)，且E=5V，试分析工作原理，并作出输出电压uo的波形。,解：图(a), ui E， D 截止，uR= 0，,输出uo = ui,电路为正限幅电路, ui E

8、， D 导通，uD= 0，,输出uo = E,五、二极管的应用,限幅器的功能就是限制输出电压的幅度,2. 二极管整流作用,图示两个电路。已知 ui = 10sint（V）， 试画出输出电压uo的波形。,解：, 图(a) ui 0， D 导通，uo= 0， ui 0， D 截止，uo= ui, 图(b) ui 0， D导通，uo= ui ， ui 0， D截止，uo= 0,3.二极管的检波作用,电路中RC构成微分电路 已知ui的波形，试画出 输出电压uo的波形。,解：t = 0 时，uR为正脉冲,t = t1 时，uR为负脉冲,t = t2 时，uR为正脉冲, uR0 时，D截止,输出uo =

9、0,uR0 时，D导通,输出uo = uR 负脉冲,UA UB，DA先导通， DA起箝位作用，使UF=3V。,UB UF ，DB截止，将UB与UF隔离,DA 、DB，为理想二极管,4. 二极管的箝位和隔离应用,电路中，输入端UA=+3V，UB= 0V，试求输出端F的电位UF 。,解：,电路如图，求：UAB,阳极受6V电源控制电位为-6V，因3k电阻上无电流，故阴极电位是-12V。UAK UON 二极管导通。,解: 取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极间的电压。,二极管起钳位作用,例题,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-6.3(

10、锗)或-6.7V(硅),分析：取 B 点作参考点，断开两个二极管，分析两个二极管上的电位差，压差大的二极管先导通。, UAK2 UAK1 D2 优先导通， D2 导通后，D1截止。,例题,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：图中电压UAB,VD1阴 = VD2阴= 12 V,VD1阳 =6 V，VD2阳=0 V,UAK2 =12V,UAK1 = 6V,若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,第3节 稳压二极管,稳压误差,曲线越陡， 电压越稳定。,特点： 1、通常工作在反向击穿区； 2、反向击穿特性较陡。,伏安特性,1.结构和符号,1.3 稳压二极管,面接触型硅二极管

11、,2. 伏安特性,正向特性与普通硅二极管相同, 未击穿区（o a段）,I0，反向截止, 击穿区（稳压区 a b段）,特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用, 热击穿区（b 点以下线段）,过热烧坏PN结,【分析】,例如：假设VI恒定，而RL减小，则有,IO,IZ不变,IR,VR,VI恒定,VO,IZ,IR,VR,VI恒定,VO,主要参数,5、动态电阻RZ；越小输出电压越稳定。,1、稳定电压UZ；,2、稳定电流IZ；最大稳定电流IZM；,3、电压温度系数CTV（%/）；,4、最大允许功耗 PZM=UZIZM ；,稳压管的一种实物图,黑头一侧为阴极，即k端,使用稳压管组成稳压电路时，需注意几点：,

12、必须限制流过稳压管的电流IZ，不要超过规定值， 以免因过热而烧坏管子。,稳压管应与负载电阻RL并联，由于稳压管两端 电压的变化量很小，因而使输出电压比较稳定。,应使外加电源的正极接管子的N区，电源的负极 接P区，以保证稳压管工作在反向击穿区。,使用时要加限流电阻。,图示电路中，DZ1的UZ1=8.5V，DZ2的UZ2=5.5V， 正向压降均为UD= 0.5V，试求图中输出电压Uo。,解：,光电管,可用来作为光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。,发光管,(发光),最常见的有红、黄、绿等颜色。,实际中，二者配合使用的情况很多，如遥控电视机、光缆传输电信号等。,(接收光),有正向电流流过时，

13、发出一定波长范围的光,反向电流随光照强度的增加而上升。,几种普通发光二极管实物图,长脚为正极,大头为负极,3.光电耦合器,电光电 特点：输入与输出电气绝缘 作用：抗干扰、隔噪声,应用举例：,220V,+5V,思考题 1、本征半导体是如何导电的？ 2、N型半导体中的多数载流子是什么？P型半导体呢？ 3、多数载流子与什么有关？少数载流子呢？ 4、PN结加什么电压使空间电荷区变窄？有利于什么运动？ 5、稳压二极管与普通二极管的区别在哪里？ 6、二极管的死区电压是什么的反映？ 7、半导体器件的性能为什么受温度的影响比较大？ 8、什么叫PN结的单向导电性？ 9、怎样用万用表判断二极管的极性？ 10、二极

14、管能否起稳压作用？如能，举例说明。,晶体三极管，也叫半导体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，简称BJT）。,第4节 晶体三极管,BJT是由两个PN结组成的。,基本结构、分类、符号,【分类】,NPN型三极管剖面图,结构制作要求：, 发射区：高杂质掺杂浓度；, 基区：很薄（通常为几微米几十微米），低掺杂浓度；, 集电区：,掺杂浓度要比发射区低；,结面积比发射区大；,晶体管的几种常见外形,几种常见三极管实物图,大功率三极管,功率三极管,普通塑封三极管,NPN型,PNP型,1.结构及类型,发射结,

15、集电结,晶体管的电流放大的条件,基区： 掺杂浓度最低并且很薄,集电区： 掺杂浓度较低,发射区： 掺杂浓度最高,内部条件,三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。,外部条件,发射结加上正向电压，集电结加上反向电压,IC,放大原理,B,E,N,N,P,发射到基区电子被收集和复合的比例系数就是电流放大系数,放大区电压和电流实际方向,直流电流放大系数,各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,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。,晶体管的特性曲线,发射极是输入回路、输出回路的公共端,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,输入特性曲线, 死区, 非线性区, 线性区,vCE =1V,vCE 1V,vCE =0V,记住：,当vCE1时，各 条特性曲线基 本重合。,当vCE增大时特 性曲线相应的 右移。,25,输入特性,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降： UBE0.60.7V,硅管UBE0.20.3V 锗管,输出特性, 放大区,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,此区域满足IC=IB称为