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1、第三章 电子器件,序 导体、绝缘体、半导体 半导体器件第一节 半导体二极管 半导体二极管的工作特性 半导体二极管的电压和电流关系 半导体二极管的种类及其主要特性参数与常用电路 半导体二极管的种类与选用第二节 半导体三极管 半导体三极管的工作特性 半导体三极管常用电路 半导体三极管的种类与选用,序,一. 导体、绝缘体、半导体 物质按照导电能力的大小分为导体、绝缘体和半导体。 导体 具有良好导电能力的物质。 其电阻率在10-610-1欧姆厘米( cm)。 例如,金属。银铜铝的电阻率为10-610-5 cm 绝缘体 导电能力能力很差或不能导电的物质。 其电阻率一般大于1061018欧姆厘米( cm)
2、。 例如,玻璃、塑料、陶瓷,其电阻率大于109 cm 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 其电阻率在10-3109欧姆厘米( cm)。 例如, 硅, 其电阻率为2.14105cm,二. 半导体的特点,半导体不仅在于其电阻率与导体和绝缘体的在数值上差别,而且在于其导电性具有两个显著的特点: 电阻率受杂质的影响极大 在半导体中掺入杂质，其电阻率会显著下降。 例如, 硅(Si)中含有亿分之一的硼(B), 其电阻率会下降 到2.14103cm, 比无杂质的纯硅降低100倍。 如果半导体所含杂质的类型不同,其导电类型也不同。 电阻率受外界条件(如热、光等)的影响很大 温度升高或受光照射时,半导
3、体的电阻率会迅速下降。,三. 半导体的类型,按化学成分 可分为元素半导体和化合物半导体; 元素半导体 由单一元素组成的半导体材料 例如：Si，Ge 均为常用的元素半导体 化合物半导体 由化合物组成的半导体材料 例如： GaAs，GaP 均为常用的化合物半导体 无论是元素半导体还是化合物半导体 按含否杂质 可分为本征半导体和非本征半导体; 本征半导体 不含杂质、无缺陷的半导体材料。 非本征半导体 掺杂质、有缺陷的半导体材料， 这种半导体材料按导电类型分为N型和P型半导体 N型半导体 以电子为多数载流子的半导体材料 P型半导体 以空穴为多数载流子的半导体材料,四. 本征半导体的原子结构,原子由带正
4、电的原子核和带等量负电的核外电子组成。原子呈电中性。电子分列在不同的壳层上绕原子核运动。每壳层轨道上分列的最大电子数为2n2(n是壳层数)。内层电子受原子核的吸引力大于外层电子。最外层电子为价电子,容易脱离原子核的束缚，成为自由电子。根据泡利不相容原理,1s层最多容纳的电子数:22s层最多容纳的电子数:22p层最多容纳的电子数:63s层最多容纳的电子数:23p层最多容纳的电子数:63d层最多容纳的电子数:10硅原子有14个电子,分列在1s,2s,2p,3s,3p层上,3层没满只有4个电子,所以硅有4个价电子,为四价元素。,五.N型半导体与P型半导体,本征半导体由于其原子外层电子的热运动, 存在
5、成对产生的自由电子和空穴, 在温度t下, 自由电子和空穴对的产生与复合会达到动态平衡, 数量有限而且是t的函数。因此, 本征半导体导电性能低。根据半导体的一个显著特点：在半导体中掺入杂质，其电阻率会显著下降。因此，通过在半导体中掺入一定量的杂质，可以获得满足导电性要求(电阻率,导电载流子类型)的半导体材料。1. N型半导体例如，在Si本征半导体材料中掺入五价元素磷(P), P原子贡献出1个自由电子。因此, P原子被称作施主。Si半导体材料中自由电子数量取决于掺入的P原子数量(掺杂浓度), 其多数载流子是P原子贡献的自由电子。掺入P的Si半导体为N型半导体。,2.P型半导体,例如，在Si本征半导
6、体材料中掺入三价硼(B), B原子空出1个空穴。因此, B原子被称作受主。Si半导体材料中空穴数量取决于掺入的B原子数量(掺杂浓度)。Si半导体多数载流子是B原子空出的空穴。掺入B的Si半导体为P型半导体。,六. 半导体器件,采用半导体材料制造的器件, 统称为半导体器件。其种类繁多,通常分为半导体分立器件和半导体集成电路。半导体分立器件 分为半导体二极管和半导体三极管。半导体二极管 通常是指具有一个PN结的半导体分立器件。根据特性和用途又分为整流、检波二极管, 稳压二极管,开关二极管,变容二极管, 半导体三极管 通常是指具有两个PN结的半导体分立器件。根据其特性和用途又分为：高频三极管, 低频
7、三极管,开关三极管, 半导体集成电路 是在一片半导体材料上制造的由二极管、三极管、电阻、电容组成的电路。,第一节 半导体二极管,一、半导体二极管工作特性 二极管在电路中具有单向导电性。 按国际制(SI), 在电路中二极管的符号: D 工作原理： 无外电场时,外加电场时,二、半导体二极管的电压和电流关系,在温度T下, 二极管伏安特性曲线： 二极管具有单向导电特性。温度升高时,半导体的电阻率 会迅速下降,V-I曲线会漂移。 VF:正向电压 IF:正向电流 IFM:最大正向电流 VR:反向电压 VRWM:反向工作峰值电压 IR ( IRM ) :反向电流,三、半导体二极管的种类及其主要特性参数与常用
8、电路,1.整流、检波二极管 整流、检波二极管工作原理都是单向导电性。 整流管的作用: 将交流电变成直流电。 检波管的作用: 取出调制高频 无线电波中的低频信号。 主要参数 VF , IF , VR , IR 常用电路 半波整流电路 o = 0t 0 t2,常用电路(续),全波整流电路 E:交流电压有效值 Vo:输出电压有效值 VR:二极管最大反向电压 o= 0t2,桥式整流电路,检波电路,2.开关二极管,开关二极管工作原理是单向导电性。 开关管的作用: 整流和开关。 主要参数: VF , IF , VR , IR , trr 开关时间,通常用trr(反向恢复时间)表 示,是二极管由导通到关断的
9、过渡时间 正向导通电阻很小,反向关断电阻很大 影响开关时间的主要因素: 电子和空穴的存储效应 PN结的电容效应 常用电路 削波电路,常用电路(续),双向限幅电路 逻辑电路,3.稳压二极管,稳压二极管工作原理是齐纳(Zener)击穿特性。 Zener提出:当PN结的电场强度足够大时(106V/cm),可 直接把晶格原子中的价电子从束缚状态解放出来, 成 为载流子,从而使反向电流剧增。稳压管也称齐纳管。 齐纳击穿是非破坏性击穿。 稳压管的作用: 稳定电压。 主要参数: VZ 工作电压 IZ 在工作电压范围内的工作电流 IZM 在工作电压范围内的最大工作电流 rZ 微分电阻 IR 反向电流 VZ 工
10、作电压温度系数 Ptot 总耗散功率,常用电路:,稳压电路 稳压管D与负载RL并联，此电路也称作并联稳压电路。 稳压管D的作用: 保护负载RL不受电源浪涌的影响,使Vo=VZ 。 该电路对负载的要求: ILRL=VZminVZmax ， 所以，IZminILIZmax ，否则无法VZ保持。,常用电路(续),稳压管保护表头电路 稳压管D的作用: 一般选VZ稍高于表头满刻度电压Vo ,当表头电压VAVZ时, 稳压管D导通, 从而避免表头过流受损。 稳压管限幅电路 稳压管D的作用: 当i高于稳压管VZ时, 输出信号Vo被切成方 波。,4.变容二极管,变容二极管 是利用半导体PN结电容(或金属-半导体
11、接触势垒) 随外加电压的非线性变化。 变容二极管通常在反向偏压下工作。变容管的作用: 作为变电抗(替代可变电容)用于调谐电路。 变容管的等效电路: 主要参数: VR 工作电压(反向偏压) VB (VRm)最大工作电压 Ct 在工作电压VR下的结电容 突变结: n=2, 缓变结: n=3, 超突变结: n2 rs 串联电阻 Q 结电容品质因数,是表示结电容品质的参数， Q=1/2f rsCt rs越小，Q值越高。 fC 截止频率, 是Q=1时f值, fC=1/2 rsCt , rs越小, fC越高。,常用电路,压控振荡电路 VCO,常用电路(续),倍频电路 变容管的作用: 基波经fi滤波器 至变
12、容管时, 由 于变容管C-V为 非线性关系, 在 A点除基波外, 还有二次谐波2fi , 三次谐波3fi , 用谐波nfi滤波器 可取得所需的第 n次谐波。,四、半导体二极管的种类与选用,1.国产二极管的型号 例如： 2CB22 2CK50 2CZ105 2CW70 2.进口二极管的型号 例如： 1N4007 1N821,第二节 半导体三极管,一、半导体三极管工作特性 按国际制(SI), 在电路中三极管的符号: T 1. 双极型晶体管 工作原理(NPN管示例),双极型晶体管V-I特性曲线,NPN管示例,双极型晶体管的主要特性参数,Ptot 总耗散功率 PCM 集电极耗散功率 IC 集电极电流 ICM 集电极峰值电流 IB 基极电流 IE 发射极电流 VCE(sat) 集电极-发射极饱和电压 VBE(sat) 基极-发射极饱和电压 V(BR)CEO IB =0时集电极-发射极击穿电压 V(BR)CBO IE =0时集电极-基极击穿电压 V(BR)EBO IC =0时发射极-基极击穿电压 ICEO IB =0时集电极-发射极截止电流 ICBO IE =0时集电极-基极截止电流 IEBO IC =0时发射极-基极截止电流,
