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1、河 北 科 技 大 学 基础课教学部,第 7 章 半导体器件,第七章 半导体器件,内容提要,半导体器件是电子电路的核心器件。本章首先介绍了半导体的基本知识,然后讲述了两种常用半导体器件(半导体二极管和半导体三极管)的工作原理和基本特性。本着“管为路用”的原则,在了解其基本原理的基础上,重点掌握它们的应用。,7.1 半导体基础知识,导体:金属一般都是导体。,绝缘体(电介质):如橡胶、塑料和陶瓷等。,半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间, 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。,物体,7.1.1 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
2、 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,一、半导体的主要特征,二、 本征半导体,纯净的半导体称为本征半导体。,硅或锗的晶体结构,1、内部结构,电子-空穴对的形成,自由电子,空穴,2、导电机理,电子电流和空穴电流相等,并且它们之和为总的导电 电流。,注意:,3.由于热激发可产生电子和空穴,因此本征半导 体的导电特性和温度有关,对温度很敏感。,总结,1.本征半导体中载流子为电子和空穴;,2.电子和空穴成对出现,浓度
3、相等;,三、 杂质半导体,1、N型半导体,在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),就形成了N型半导体。,电子-多子; 空穴-少子。,2、P型半导体,在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),就形成了P型半导体。,空穴-多子; 电子-少子。,注意 杂质半导体中,多子的浓度取决于掺杂原子的浓度; 少子的浓度取决于温度。,a,b,c,b,a,一、PN结的形成,P区,N区,7.1.2 PN结,在交界面,由于两种载流子的浓度差,出 现多子的扩散运动。,N区,P区,在交界面,由于多子的扩散运动,经过复合, 出现空间电荷区(又称耗尽层),N区,P区,当多子的扩散与少子的漂移达到动态平衡(扩散电流等于漂移电流),形
4、成PN结。,PN结,N区,P区,3. 当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时,形成PN结。,总结,1. 由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;,2. 内电场阻碍多子扩散,有利于少子漂移;,二、PN结的单向导电性,1、外加正向电压,P区接电源正极,N区接电源负极,又称正向偏置。,U,内电场,外电场,外电场抵消内电场的作用,使耗尽层变 窄,形成较大的扩散电流,PN结导通。,U,2、外加反向电压,7.2 半导体二极管,7.2.1 二极管的基本结构,1、 内部结构,核心部分,2、图形符号,3、分类,VD,VS,7.2.2 伏安特性,正向特性,特点:非线性,反向特性,反向击穿电压UBR,死区电压,硅管0.5V
5、,锗管0.1V,导通管压降,硅管0.60.7V,锗管0.20.3V,7.2.3 主要参数,1.最大整流电流IFM,2.最大反向工作电压URM,二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。,二极管工作时允许加的最大反向电压,通常为击穿电压UBR的一半或三分之二。,半导体的参数是对其特性和极限应用的定量描述, 是设计电路时选择器件的主要依据。,3.最大反向电流IRM,为了分析问题方便,用线性化的等效模型来代替二极管。,1、二极管等效电路,(1)理想二极管模型,7.2.4 二极管的应用,导通,且导通管压降,截止,(2)非理想二极管模型,截止,【例1】画出二极管电路的输出波形(设UD=0)。,二极管整流,
6、2、应用,【例2】画出二极管电路的输出波形(设UD=0.7V),0.7V,0.7V,-3V,二极管限幅,本次课掌握内容,2、N型半导体为电子型半导体; P型半导体为空穴型半导体。 3、PN结具有单向导电性。 4、二极管具有单向导电性。 理想二极管:导通管压降为0; 非理想二极管:(硅管)导通管压降为0.7V (锗管)导通管压降为0.3V,1、本征半导体电子和空穴成对出现,浓度相等;,上次课复习,2、N型半导体为电子型半导体; P型半导体为空穴型半导体。 3、PN结具有单向导电性。 4、二极管具有单向导电性。 理想二极管:导通管压降为0; 非理想二极管:(硅管)导通管压降为0.7V (锗管)导通
7、管压降为0.3V,1、本征半导体电子和空穴成对出现,浓度相等;,7.2.5 常用的特殊二极管,1. 稳压管,1)稳压管的工作原理,稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管。,2)稳压管的图形符号,3) 稳压管的主要参数,稳定电压UZ,UZ是指稳压管击穿后正常工作时,管子两端的电压值。,稳压电流IZ,IZ是稳压管正常工作时的参考电流。电流小于此值时,稳压二极管将失去稳压作用。也记作IZmin,额定功耗PZM,IZM 即 IZmax,动态电阻rZ,rZ越小,稳压性能越好。,4)稳压管的稳压条件,稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。,必须工作在反向击穿状态;,流过稳压管的电流在IZ和IZM之间 。,注
8、意!,5)稳压管的应用,典型应用电路:,RL为负载电阻,R限流电阻,当UI变化时,由于稳压管的作用,输出UO不变。,当发光二极管加正向电压,电流足够大时会发出可见光和不可见光。,2.发光二极管(LED),3. 光电二极管,工作在反向偏置状态下,7.3 半导体三极管,7.3.1 三极管的基本结构,1. 分类,基区:较薄,掺杂浓度低,集电区:面积较大,掺杂浓度低,发射区:掺 杂浓度较高,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,2、 符号,7.3.2 工作原理,发射结正偏,集电结反偏。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合,形成电流IB ,多数扩散到集电结。,发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形成
9、发射极电流IE。,EB,RB,Ec,IE,IB,集电结反向偏置。从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集,形成IC。,EB,RB,Ec,IE,IB,IC,RC,EB,RB,Ec,IE,IB,IC,RC,直流(静态)电流放大倍数,要使三极管能放大电流,必须使发射结正偏,集电结反偏。,交流(动态)电流放大倍数,2、饱和状态,发射结正偏,集电结正偏。,3、截止状态,发射结反偏,集电结反偏。,相当于“开关”闭合,相当于“开关”断开,管压降,7.3.3 特性曲线,实验线路,死区电压,硅管0.5V,锗管0.1V。,管压降: 硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.20.3V。,1、输入特性曲线,2、输出特
10、性曲线,iC(mA ),当 时,iC只与iB有关,满足iC=iB。称为放大区。,放大区:发射结正向偏置,集电结反向偏置。,此区域中uCEuBE,iBiC ,称为饱和区。,饱和区:发射结、集电结均正向偏置。,此区域中 : iB=0,iC0,称为截止区。,截止区:发射结、集电结均反向偏置。,输出特性三个区域的特点:,放大区:发射结正偏,集电结反偏。 即: IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区:发射结正偏,集电结正偏。 即:UCEUBE , IBIC,UCE0.3V,(3) 截止区: UBE 死区电压, IB=0 , IC=0,3、三极管工作状态及类型的判断方法:,对于NPN型硅管:,
11、NPN三极管处于放大状态时: UEUBUC。,PNP三极管处于放大状态时: UEUBUC。,【例1】判断以下NPN型三极管的工作状态。,放大,饱和,截止,7.3.4 例题分析,【例2】测得放大电路中六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。,解题思路,(1)三极管处于放大状态,(3)确定三个电极,(2)确定三极管为硅管还是锗管,(4)确定为何种类型,c,c,c,c,c,c,PNP,PNP,PNP,NPN,NPN,NPN,b,b,b,b,b,b,e,e,e,e,e,e,硅管,锗管,锗管,锗管,硅管,硅管,五、主要参数,直流电流放大倍数:,交流电流放大倍数:,2
12、. 穿透电流ICEO,温度上升时,ICEO增加很快,基极开路(IB=0)时集电极与发射极之间的反向电流,称为穿透电流ICEO,3.集电极最大允许电流ICM,当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,4.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,iCuCE=PCM,安全工作区,5.集电极最大允许功耗PCM,过损耗区,本次课掌握内容,1、三极管有两个PN结:发射结和集电结 2、三极管有NPN型和PNP型 3、三极管具有电流放大作用,此时,发射结正向偏置,集电结反向偏置。IE=IC+IB且IC=IB 4、三极管输出特性曲线有三个工作区:放大区、饱和区和截止区。 5、NPN型三极管工作在放大区时: UEUBUC,