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1、第7章 常用半导体器件,教学目标与要求,熟悉半导体的导电特性。,掌握PN结的特性。,了解二极管、三极管和场效应管的结构和工作原理，掌握其特性曲线及其主要参数。,了解发光二极管、光电二极管、光电三极管和光电耦合器等新型半导体器件的结构及工作原理。,7.1 半导体的基本知识,物质的分类,（按导电性能分）,导体：低价元素（如Cu、AI等）,导电性能好,绝缘体：高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶）,导电性能极差,半导体：四价元素（如Si、Ge等）,导电性能介于导体和绝缘体之间,（1）热敏特性,半导体的多变特性,（2）光敏特性,温度升高导电能力显著变化。如热敏电阻,光线照射导电能力显著变化。如光
2、电二极管,载流子,（3）掺杂特性,在本征半导体中掺入少量的有用的杂质，导电能力显著增强。如二极管、晶体管等。,7.1.1 本征半导体,定义,共 价 键,价 电 子,晶体原子的结合方式,共价键,纯净的具有单晶体结构的半导体称为本征半导体。,如图所示,2. 本征半导体的特点,（1）有两种载流子，即自由电子和空穴，且数目相等，即成对出现。,（2）可形成两种电流，即电子电流和空穴电流。,空穴,自由 电子,注意,（1）金属导体只有一种载流子即自由电子。,本证激发,复合,（2）本证半导体中，自由电子和空穴的浓度相等。,（3） 本征半导体中载流子的浓度与环境温度有关；,温度T,载流子的浓度,导电能力增强,（
3、4） 导电能力仍不如导体。,（5） 绝对零度（T=0K）时，本征半导体成为绝缘体。,7.1.2杂质半导体,N型半导体,P型半导体,多余 电子,在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷）,N型半导体的特点：,有两种载流子，即自由电子和空穴。自由电子是多子，空穴是少子；,1. N型半导体,N型半导体,主要靠自由电子导电。,2. P型半导体,在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）,P型半导体,空位,空穴,P型半导体的特点：,有两种载流子，即 自由电子和空穴。空穴是多子，自由电子是少子；,主要靠空穴导电。,特别提示,杂质半导体中的杂质原子必须是微量的，且有用，否则将改变半导体的晶体结构。,在杂质半导体中，所掺
4、杂质的浓度基本上决定了多子的浓度；而温度决定少子的浓度。,杂质半导体（N型半导体或P型半导体）仍呈中性。,7.2 PN结,7.2.1 PN结的形成,扩散运动,漂移运动,动态平衡,（一定宽度）,空间电荷区,PN结,P区多子,N区多子,说明,空间电荷区又称耗尽层,7.2.2 PN结的单向导电性,1. PN结正向偏置,外加正向电压或正向接法,特别提示,PN结的正向电流可视为由多子的扩散运动形成的。,I,2. PN结反向偏置,外加反向电压或反向接法,特别提示,PN结的反向电流可视为由少子的漂移运动形成。,I,PN结的反向电流对温度很敏感。,PN结正向偏置,空间电荷区变窄,正向电阻很小,正向电流较大,P
5、N结导通,PN结反向偏置,空间电荷区变宽,（理想时为）,反向电流（反向饱和电流）极小（理想时为0）,PN结截止,反向电阻很大,PN结正向偏置时导通，反向偏置时截止,单向导电性,结论,（理想时为0）,说明,PN结的结电容Cj,势垒电容Cb,扩散电容Cd,Cj=Cb+Cd,7.2.3 PN结的电流方程,IS：反向饱和电流,q：电子电量,k：波尔兹曼常数,T：热力学温度,温度的电压当量,则,常温时，即T=300K（即27）时，UT26mV,说明,构成:实质上就是一个PN结,PN结+引线+管壳,7.3 二极管,+,-,阳极,阴极,特性：单向导电性,外形及图形符号,7.3.1 二极管的类型和结构,1.
6、二极管的类型,按所用材料不同分,硅管,锗管,按用途不同分,普通管,整流管,开关管,按内部结构不同分,点接触型,面接触型,平面型,大功率整流元件,多为锗管,多为硅管,1. 二极管的结构,（1）点接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。,特点,用途,用于高频电路的检波和变频等。,（2）面接触型,结面积大、正向电流大、结电容大。,特点,用途,多用于工频大电流整流电路。,（3）平面型,结面积可大可小。,特点,用途,多用于低频整流和开关电路中。,1.2.2、二极管的伏安特性,硅管0.5V锗管0.1V,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。,外加电压大于反向击穿电压二极管
7、被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点,硅0.60.8V 典型值0.7V 锗0.10.3V 典型值0.2V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,非线性,二极管的特性与环境温度有关。当环境温度升高时，正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移，反向饱和电流将增加，而反向击穿电压将降低，如图所示。,特别提示,一般地，硅二极管所允许的结温比锗二极管的高（硅管的最高结温约为150，锗管的约为90），故大功率的二极管几乎均为硅管。,二极管的正向特性曲线不是直线，而是近似为指数曲线。故二极管是一个非线性器件。,7.3.3 二极管的主要参数,1.最大整流电流IFM：指平均值。要求IV
8、D(AV)IFM,2.最高反向工作电压URM：指最大值。要求URmURM,3.最大反向电流IRM:要求IRM,4.最高工作频率fM,好,注意：IRM对温度十分敏感。,7.3.4 二极管的主要用途,1. 整流,将大小和方向随时间变化的交流电压变成单一方向的、脉动的直流电压的过程称为整流。整流原理详见第12章。,2. 检波,调制的方式通常分为调幅、调频和调相三种。,3. 限幅,将输出电压的幅值限制在一定数值范围之内的电路称为限幅器。限幅器又称为削波器。,4. 钳位,将电路中某点的电位钳制在某一数值上，称为钳位。,5. 保护,保护电路中某些元器件，防止受到过电压而损坏。,二极管电路分析举例,定性分析
9、：判断二极管的工作状态,导通截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,【例7-1】 如图（a）所示电路，设输入电压，US1US25V，VD1和VD2均为硅管， 其正向导通电压降UVD0.7V。试画出输出电压uo的 波形。,【解】 当ui5.7V时，VD1导通，VD2因反向偏置而截止，uoUVD1US15.7V。,当ui5.7V时，VD1因反向偏置而截止，VD2导通，uoUVD2US25.7V。,当5.7Vui5.7V时，VD1和VD2均截止，uoui。,输出电压uo的波形如图（b）所示。,分析二极管电路的一般方法：,若U阳U阴或UVD为正( 正向偏置 )，二极管导通,将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UVD的正负。,若U阳 uBE,输出特性曲线近于平直的区域就是放大区。在放大区（也称为线性区）内，晶体管具有恒流特性。,
