补充讲座半导体器件及与非门(精品ＰＰＴ).ppt

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1、补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门概述概述半导体基本知识半导体基本知识PN结及其特性结及其特性半导体二极管特性及其应用半导体二极管特性及其应用稳压二极管稳压二极管半导体三极管半导体三极管补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门半导体基础知识半导体基础知识概念概念 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分导体、绝缘的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。体和半导体。 1.导体：容易导电的物体。如：铁、铜等导体：容易导电的物体。如：铁、铜等2. 绝缘体：几乎不导电的物体。绝缘体：几乎不导电的物体。 如：橡胶等如：橡胶等补充讲座补充讲座 半

2、导体器件及与非门半导体器件及与非门半导体半导体 半导体半导体是是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一在一定条件下可导电。定条件下可导电。 半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3-310109 9 cm。典型的半导体有。典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。半导体半导体特点：特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管

3、属于此类。著增加。二极管、三极管属于此类。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门1. 本征半导体本征半导体1. 1. 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半导体器件制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是电子技术中用的最多的是硅硅和和锗锗。硅硅和和锗锗都是都是4价元素，它们的外层电子都是价元素，它们的外层电子都是4个。个。锗硅电子外层电子受原子核的束缚力最外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子

4、。小，成为价电子。物质的性质物质的性质是由价电子决定的是由价电子决定的 。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门1.2本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成价电子形成共价键共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。 硅晶体的空间排列 共价

5、键结构平面示意图补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门 共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为两个电子被成为束缚电子束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。易脱离轨道。 因此，在绝对温度因此，在绝对温度T=0 K（-273 C）时，由于共价键中的电时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。下，本征半导

6、体才能导电。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门1.3 电子与空穴电子与空穴+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子共价键 当当导导体体处处于于热热力力学学温温度度0 K时时，导导体体中中没没有有自自由由电电子子。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自自由电子由电子。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门1.4电子与空穴电子与空穴 自由电子产生的自由

7、电子产生的同时，在其原来的同时，在其原来的共价键中就出现了共价键中就出现了一个空位，原子的一个空位，原子的电中性被破坏，呈电中性被破坏，呈现出正电性，呈现现出正电性，呈现正电性的这个空位正电性的这个空位为为空穴空穴补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门1.5电子与空穴的复合电子与空穴的复合 可见因热激发而出可见因热激发而出现的自由电子和空穴是现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为同时成对出现的，称为电子电子-空穴对空穴对。 游离的部分自由电游离的部分自由电子也可能回到空穴中，子也可能回到空穴中，称为称为复合复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合在一定温

8、度下会达到动态平衡。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2. 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性使半导体的导电性发生显著变化发生显著变化。 掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。(1) (1) N型半导体型半导体(2) (2) P型半导体型半导体补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2.1 N型半导体型半导体 在本征半导体中掺在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如入五价杂质元素，例

9、如磷，可形成磷，可形成 N型半导体型半导体, ,也称也称电子型半导体电子型半导体。因因五价杂质原子中只有五价杂质原子中只有四四个价电子个价电子能与周围四个能与周围四个半导体原子中的价电子半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的形成共价键，而多余的一个价电子一个价电子因无共价键因无共价键束缚而很容易形成自由束缚而很容易形成自由电子。电子。自由电子补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2.1 N型半导体型半导体自由电子 在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流电子是多数载流子子,它主要由它主要由杂质原子杂质原子提供提供； 另外，硅晶体另外，硅晶体由于由于热激发热激发会产生少

10、量的会产生少量的电子空穴对，所以电子空穴对，所以空空穴是少数载流子。穴是少数载流子。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2.2N型半导体结构型半导体结构 提供自由电子的五提供自由电子的五价杂质原子因失去一个价杂质原子因失去一个电子而带电子而带单位正电荷而成为单位正电荷而成为正离正离子子，因此五价杂质原子，因此五价杂质原子也称为也称为施主杂质施主杂质。磷原子核自由电子N型半导体中的导电粒子有型半导体中的导电粒子有两种：两种：自由电子自由电子多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2.3 P型半导体型半导体 在本征半

11、导体中掺入三在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了等形成了P型半导体型半导体，也称也称为为空穴型半导体空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。而在共价键中留下一个空穴。空穴是其主要载流子。空穴是其主要载流子。 补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2.4 P型半导体结构型半导体结构 在在P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子而成为一个带单位负电荷的而成为一个带单位负电荷的负离子，负离子，三价杂

12、质三价杂质 因而也因而也称为称为受主杂质受主杂质。 而硅原子的共价键由于失去一个电子而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。而形成空穴。硼原子核空穴P型半导体中：型半导体中：空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2.5. 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴

13、浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 2掺杂后掺杂后 P 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 P 型半导体空型半导体空穴浓度穴浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门本节中的有关概念本节中的有关概念 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质补充

14、讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.1.2 PN结及其结及其单向单向特性特性 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性结的单向导电性PN结的电容效应结的电容效应补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门N区区P区区1. PN结的形成结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分分别形成别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。因浓度差因浓度差多子扩散多子扩散形成空间电荷区形成空间电荷区促使少子漂移促使少子漂移阻止多子扩散阻止多子扩散扩散到对方的载流子在扩散到对方的载流子在P区和区和N区的交区的交界处附近被

15、相互中和掉，使界处附近被相互中和掉，使P区一侧因区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的渐形成由正、负离子组成的空间电荷空间电荷区（耗尽层）区（耗尽层）。由于。由于P区一侧带负电，区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向区指向P区的区的内电场内电场补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门PN结的形成结的形成 当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和

16、内电场当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，产生的电流大小相等，方向相反。少个少子从对方飘移过来，产生的电流大小相等，方向相反。内电场空间电荷区耗尽层电子空穴P区N区补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门PN结的形成结的形成 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的型半导体结合面，离子薄层形成的空间空间电荷区电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗耗

17、尽层尽层。由于耗尽层的存在，。由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。结的电阻很大。PN结的形成过程中结的形成过程中的两种运动：的两种运动： 多数载流子扩散多数载流子扩散 少数载流子飘移少数载流子飘移补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2. PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结具有单向导电性结具有单向导电性，若外加电压使电流从，若外加电压使电流从P区流到区流到N区，区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中： P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电

18、压正向电压，简称，简称正偏正偏； P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。 补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门 (1) PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内结内电场方向相反，削弱了内电场。于是电场方向相反，削弱了内电场。于是, ,内电场对多子扩散运动内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，略漂移电流的影响，

19、PN结呈现低阻性。结呈现低阻性。内电场方向内电场方向PN结的伏安特性结的伏安特性 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门 (2) PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压方向与外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，电流，可忽略扩散

20、电流，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 PN结加反向电压时的导电内电场方向PN结的伏安特性结的伏安特性 在一定的温度条件下，在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，的漂移电流是恒定的，基基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关，小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结加正向电压结加正向电压时，呈现低电阻，具时，呈现低电阻，具有较大的正

21、向扩散电有较大的正向扩散电流；流； PN结加反向电压时，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。小的反向漂移电流。结论：结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门4. PN结的击穿特性结的击穿特性 当加在当加在PN结上的反向电压增加到一定数值时，反向电流结上的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然急剧增大，突然急剧增大，PN结产生电击穿结产生电击穿这就是这就是PN结的击穿特性。结的击穿特性。 发生击穿时的反偏电压称为发生击穿时的反偏电压称为PN结的反向击穿电压结的反向击穿电压VBR。 PN结被击穿后，结被击

22、穿后，PN结上的压结上的压降高，电流大，功率大。当降高，电流大，功率大。当PN结结上的功耗使上的功耗使PN结发热，并超过它结发热，并超过它的耗散功率时，的耗散功率时，PN结将发生结将发生热击热击穿穿。 PN结的电流和温度之间出现恶结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致性循环，最终将导致PN结烧毁。结烧毁。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.2.1 半导体二极管半导体二极管 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有结构分有

23、点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。点接触型二极管的结构示意图补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门二极管的结构二极管的结构平面型(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工往往用于集成电路制造工艺中。艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。面接触型补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门

24、半导体器件及与非门3.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线 半导体二极半导体二极管的伏安特管的伏安特性曲线性曲线补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门 硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压VT=0.5 V左右，左右， 锗锗二极管的死区电压二极管的死区电压VT=0.1 V左右。左右。 当当0VVT时，正向电流为零，时，正向电流为零， VT称为死区电压或开启电称为死区电压或开启电压。压。当当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当当V VT时，开始出现正向时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。电流，并按指数规律增长

25、。(1) 正向特性正向特性补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门 当当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域： 当当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流反向饱和电流I IS S 。 当当VVBR时，反向电时，反向电流急剧增加，流急剧增加，VBR称为称为反反向击穿电压向击穿电压 。(2) 反向特性反向特性补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门反向特性反向特性 在反向区，硅二极管和锗二极管的特性

26、有所不同。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；很小；锗二极管锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。饱和电流较大。 从击穿的机理上看若从击穿的机理上看若|VBR|6V时时,主要是雪崩击主要是雪崩击穿；穿； 若若|VBR|6V时时, 则主要是则主要是齐纳击穿。齐纳击穿。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.2.3 半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准

27、对半导体器件型号的命名举例如下：二极管符号：二极管符号：D代表P型Si补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门半导体二极管图片半导体二极管图片补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门半导体二极管图片半导体二极管图片补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门半导体二极管图片半导体二极管图片补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门理想模型理想模型IDO0.7V理想二极管理想二极管大信号模型大信号模型0.7V补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.2.4 二极管基本应用二极管基本应用1.利用伏安特性的非线性构成（限幅电路）利用伏

28、安特性的非线性构成（限幅电路）例例1：如图所示：如图所示：D1D2vivovovi补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.2.4二极管基本应用二极管基本应用|vi |0.7V时，时， D1、D2中有一个导通，所以中有一个导通，所以vo =0.7V例例2：如图所示：如图所示：voviD2D1vovi补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.2.4二极管基本应用二极管基本应用2. 利用单向导电性构成整流和开关电路利用单向导电性构成整流和开关电路 不管输入信号处于正或负半周，负载上得到的都是正向不管输入信号处于正或负半周，负载上得到的都是正向电压。电压。全波整流电路

29、：全波整流电路：vivo D3D4D2D1vivo补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门n电电路路及及输输入入电电压压Ui的的波波形形如如图图所所示示。画画出出输输出电压出电压Uo的波形。的波形。(不考虑二极管的导通压降不考虑二极管的导通压降)补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门二极管基本应用二极管基本应用Va、Vb有一个是低电平（有一个是低电平（0V）：）：VO为低电平为低电平Va、Vb为高电平（为高电平（5V）：）：VO为高电平为高电平所以所以 F=AB开关电路：开关电路：Va (A)Vb (B)VO (F)D1D25V补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门

30、半导体器件及与非门3.2.5 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。符号符号应用电路应用电路伏伏安安特特性性补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3 稳压管应用稳压管应用 稳压管正常工作的两个条件：稳压管正常工作的两个条件：a.必须工作在反向击穿状态；必须工作在反向击穿状态；b.流过管子的电流必须介于稳定电流和最大稳定电流之间。流过管子的电流必须介于稳定电流和最大稳定电流之间。 当输入电压当输

31、入电压vi和负载电阻和负载电阻RL在一定范围内变化时，在一定范围内变化时，流过稳压管的电流发生变流过稳压管的电流发生变化，而稳压管两端的电压化，而稳压管两端的电压Vz变化很小。变化很小。即输出电压即输出电压vo基本稳定。基本稳定。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3 稳压管应用稳压管应用问题：不加问题：不加问题：不加问题：不加R R可以吗？可以吗？可以吗？可以吗？ 稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？ 当输入电压不变当输入电压不变时，起限流作用；时，起限流作用；电阻电阻R的作用的作用当输入电压变化当输入电压变化时，起稳压作用。时，起稳压作用。补充

32、讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门稳压管应用稳压管应用如果输入电压如果输入电压Vi （ Vi VZ）确定，稳压管处于稳压状态。确定，稳压管处于稳压状态。 负载电阻负载电阻RL太大，太大，IL减小，减小，IZ增大，只要增大，只要IZ IZmin，稳压管，稳压管仍能正常工作。仍能正常工作。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门 图图示示的的电电路路中中，分分别别求求RL等等于于30k、4k和和3k时，流过稳压管的电流时，流过稳压管的电流IZ的值。的值。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门 只只要

33、要当当VD工工作作在在击击穿穿区区时时，负负载载虽虽然然有有变变化化，VD的的工工作作点点从从C点点移移到到a点点，IZ变变化化很很大大，但但UZ却却变变化化很很小小，Uo=UZ近近似似不不变。变。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门 当当RL=3k时：时： 这时，这时，VD工作在击穿的临界状态，如图所示。工作在击穿的临界状态，如图所示。 由此可求出，临界击穿时由此可求出，临界击穿时 稳压管的稳压条件：稳压管的稳压条件：VD工作电压高于击穿电压；工作电压高于击穿电压；有一定的工作电流。有一定的工作电流。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门n在在图图所所示示的

34、的电电路路中中，当当负负载载RL开开路路(RL=)时时，求求UI从从40V变化到变化到60V时，流过稳压管的电流时，流过稳压管的电流IZ的值。的值。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门 只要只要VD工作在击穿区，当输入信号工作在击穿区，当输入信号Ui发生变化，使发生变化，使VD的工作点从的工作点从b点移到点移到d点时，虽然点时，虽然IZ变化很大，但变化很大，但UZ变变化很小，化很小，Uo=UZ近似不变。近似不变。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.3 半导体三极管半导体三极管 半导体三极管又称双极型晶体管，简称半导体三极管又称双极型晶体管，简称BJT。

35、BJT的种类很多的种类很多:按频率分，有高频管、低频管；按频率分，有高频管、低频管； 按功率分，有大、中、小功率管；按功率分，有大、中、小功率管；按半导体材料分，有按半导体材料分，有Si管、管、Ge管；管；按按结结构构分分，有有NPN型型和和PNP型型等等。目目前前生生产产的的Si管管多多数数为为NPN型，型，Ge管多数为管多数为PNP型。型。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门三极管的型号三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下国家标准对半导体三极管的命名如下: :3 D G 110 B 第二位：第二位：A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN管、管、 C硅硅PNP管、管、D硅

36、硅NPN管管 第三位：第三位：X低频小功率管、低频小功率管、D低频大功率管、低频大功率管、 G高频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功率管、K开关管开关管用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.3 半导体三极管半导体三极管 补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.3 半导体三极管半导体三极管 双极型半导体三极管的结构示意图。双极型半导体三极管的结构示意图

37、。它有两种类型它有两种类型:NPN型和型和PNP型。型。e-b间的PN结称为发射结(Je) c-b间的间的PN结称为结称为集电结集电结(Jc) 中间部分称为基区，连上电极称为中间部分称为基区，连上电极称为基极基极，用用B或或b表示（表示（Base）；）； 一侧称为发射区，电极称为一侧称为发射区，电极称为发射极发射极，用用E或或e表示（表示（Emitter）；）； 另一侧称为集电区和另一侧称为集电区和集电极集电极，用用C或或c表示（表示（Collector）。）。双极型三极管的符号中，双极型三极管的符号中，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。补充讲座补充讲

38、座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门半导体三极管的结构半导体三极管的结构 从外表上看两个从外表上看两个N区区,(或两个或两个P区区)是对称的，实际上是对称的，实际上发射区发射区的掺杂浓度大的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低集电区掺杂浓度低，且，且集电结面积大集电结面积大。基区基区要制造得很薄要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。，其厚度一般在几个微米至几十个微米。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.3.1 三极管放大原理与电流关系三极管放大原理与电流关系 (1) (1)三种组态三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入双极型三极管有三个电极，其中两个

39、可以作为输入, 两个两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种称三种组态组态。 共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示; 共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门3.3.13.3.1三极管内部的电流分配与控制三极管内部的电流分配与控制 双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直双极型半导体三极管

40、在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。流偏置电压。 若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。反向电压。 现以现以 NPN型三极管型三极管的放大状态为例，来说的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关明三极管内部的电流关系。系。NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVo补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门电流分配与控制电流分配与控制 在发射结正偏，集电结反偏条件下在发射结正偏，集电结反偏条件下，三极管中载流子的运，三极管中载流子的运动：动：(1)发射区向基区发射区向基区注入电子：注入电子：在在VBB作用下，发射作用下，

41、发射区向基区注入电区向基区注入电子形成子形成IEN，基区，基区空穴向发射区扩空穴向发射区扩散形成散形成IEP。 IEN IEP方向相方向相同同VBBVCC补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门电流分配与控制电流分配与控制(2) 电子在基区复合和电子在基区复合和扩散扩散 由发射区注入基区由发射区注入基区的电子继续向集电结扩的电子继续向集电结扩散，扩散过程中少部分散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形电子与基区空穴复合形成电流成电流IBN。由于基区。由于基区薄且浓度低，所以薄且浓度低，所以IBN较小。较小。VBBVCC补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门电流分配

42、与控制电流分配与控制(3) 集电结收集电子集电结收集电子 由于集电结反偏，由于集电结反偏，所以基区中扩散到集所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形结，到达集电区，形成电流成电流ICN。VBBVCC补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门电流分配与控制电流分配与控制IEN =ICN+IBNVBBVCCIE =IC+IB补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门n晶晶体体管管一一旦旦制制成成，从从e区区发发射射的的电电子子到到达达C区区的的比比例例也也就就定了，此比例称为电流放大系数。定了，此比例称为电

43、流放大系数。n将将IC与与IB的的比比值值定定义义为为共共射射直直流流电电流流放放大大系系数数 ，将将变变化化量量IC与与IB的比值定义为共射交流电流放大系数的比值定义为共射交流电流放大系数。即。即三极管的电流放大系数三极管的电流放大系数补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门一般情况下，一般情况下， ，故可得：，故可得： IE=IB+IC=IB+IB=(1+)IB 把把IC与与IE的的比比值值定定义义为为共共基基极极直直流流电电流流放放大大系系数数 ；把把变变量量IC与与IE的的比比值值定定义义为为共共基基极极交交流流电电流流放放大大系系数数。即。即一般情况下，一般情况下， ，

44、则，则补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门所以所以 电流放大系数电流放大系数补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门电流放大系数电流放大系数在忽略在忽略ICBO情况下，情况下， IC 、 IE 和和IB之间的关系可近似表示为：之间的关系可近似表示为：补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门n因为因为e结正向电压，所以由结正向电压，所以由PN结的正向特性可知：结的正向特性可知：nBJT的的b、e极极之之间间只只要要有有较较小小的的变变化化量量UBE，就就可可产产生生较较大的大的IB；n通通过过BJT的的电电流流放放大大，又又可可引引起起更更大大的的I

45、C，而而IC流流过过集集电电极负载电阻极负载电阻Rc后；后；n在在其其两两端端产产生生的的电电压压UCE(对对直直流流电电源源UCC而而言言，其其变变化化量量为零为零)，将会比，将会比UBE大很多倍；大很多倍；nBJT的电流放大就被转换为电压放大的形式了。的电流放大就被转换为电压放大的形式了。补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECEB3.3.2 半导体三极管特性曲线半导体三极管特性曲线输入特性曲线IB=f(UBE)|UCE=常数 输出特性曲线IC=f(UCE)|IB=常数补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非

46、门一、一、输入特性输入特性UCE 1VIB( A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.8V,锗管锗管UBE 0.10.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V，锗管锗管0.1V。3.3.2 半导体三极管特性曲线半导体三极管特性曲线补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门（3）有一）有一门限电压门限电压晶体管开始导通时的基极电压晶体管开始导通时的基极电压（硅管（硅管0.7V，锗管，锗管0.2V）。）。（4）晶晶体体管管正正常常工工作作时时，发发射射结结的的压压降降变变化化不不大大（硅硅管管0.7V

47、，锗管，锗管0.2V）。）。（5）输入特性是非线性的。）输入特性是非线性的。 IB( A)UBE(V)204060800.40.8输入特性曲线的特点：输入特性曲线的特点：（1）UCE=0，相当于两个二极管，相当于两个二极管并联运用。并联运用。（2）UCE0时，整个曲线往右移。时，整个曲线往右移。当当UCE=1V后，曲线几乎重合。后，曲线几乎重合。3.3.2 半导体三极管特性曲线半导体三极管特性曲线补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门IC(mA )1234UCE(V)3691260 AIB=020 A40 A80 A100 A2 2、输出特性、输出特性3.3.2 半导体三极管特

48、性曲线半导体三极管特性曲线补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门输出特性曲线的特点输出特性曲线的特点（1）当）当IB=0时，时，IC0。（2）UCE=0时时，IC=0。发发射射区区注注入入到到基基区区的的电电子子不不能能被被集集电电区区所所收集。当收集。当UCE1V，UCEIC。（3）UCE1V以以后后，随随着着UCE的的增增加加，IC几几乎乎不不变变。曲曲线线几几乎乎平平行行等等距距。并并且且IB越越大大，曲曲线线越越往往上上移。移。 IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A3.3.2 半导体三极管特性曲线半导体三极管特性

49、曲线补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门放大区：发射结正偏，集电结反偏。放大区：发射结正偏，集电结反偏。曲线平行等距，曲线的疏密反映了曲线平行等距，曲线的疏密反映了的的大小。大小。=IC/IB，IC受受IB控制。控制。截止区：发射结反偏，集电结反偏。截止区：发射结反偏，集电结反偏。ICIB，此时，此时VBEIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。3.3.2 半导体三极管特性曲线半导体三极管特性曲线补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=

50、0, UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止区：截止区： UBE 死区电压，死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 3.3.2 半导体三极管特性曲线半导体三极管特性曲线补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门例：例： =50， UCC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当UBB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？当当UBB =-2V时：时：ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBEIB=0 ， IC=0Q位于截止区位于截止区 3.3.2 半导体三极管特性曲线半导体三极管特性曲线补充讲座补充讲座

51、半导体器件及与非门半导体器件及与非门IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUBB =2V时：时：IC最大饱和电流：最大饱和电流：3.3.2 半导体三极管特性曲线半导体三极管特性曲线补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门UBB =5V时时:ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系。倍的关系。3.3.2 半导体三极管特性曲线半导体三极管特性曲线补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门三极管应用三极管应用Vi=5V时，时，I

52、B=(5-0.7)/10K=0.43mAICS=10V/5K=2mAUR2=Ib3R2V3基极电压基极电压Ub3UCC=5V输出电压：输出电压：UF=Ub3-Ube3-Ube4=5-0.7-0.7=3.6V1.输入端有输入端有0（0.3V）输入）输入TTL与非门的与非门的典型电路典型电路及工作原理及工作原理补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门1.输入端有输入端有0（0.3V）输入）输入电路输出为高电平电路输出为高电平3.6V(F=1)，符合与非门符合与非门“有有0出出1”的逻的逻辑关系。辑关系。输出高电平表明与非门这输出高电平表明与非门这时可带拉流负载。时可带拉流负载。TTL

53、与非门的与非门的典型电路典型电路及工作原理及工作原理补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2.输入端全部接高电平（输入端全部接高电平（3.6V）或悬空）或悬空 V1的的Ub1被钳位在被钳位在2.1V上，上，于是于是V1的三个的三个e结都反结都反偏截止。偏截止。电源电源UCC通过通过R1、V1的的c结结向向V2、V5提供基极电流，提供基极电流，使使V2、V5导通饱和，输导通饱和，输出电压出电压F=UCES5=0.3V。TTL与非门的与非门的典型电路典型电路及工作原理及工作原理补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2.输入端全部接高电平（输入端全部接高电平（3.6V

54、）或悬空）或悬空结论：电路输结论：电路输出为低电平出为低电平0.3V(F=0)，符，符合与非门合与非门“全全1出出0”的逻辑关系。的逻辑关系。TTL与非门的与非门的典型电路典型电路及工作原理及工作原理补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2.输入端全部接高电平（输入端全部接高电平（3.6V）或悬空）或悬空Uc2=UCES2+Ub5=0.3+ 0.7=1VUb4=Ue3=Uc2-Ube3=1-0.7=0.3VUe4=UCES5=0.3VTTL与非门的与非门的典型电路典型电路及工作原理及工作原理补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门2.输入端全部接高电平（输入端全部

55、接高电平（3.6V）或悬空）或悬空Uc2=UCES2+Ub5=0.3 +0.7=1VUb4=Ue3=Uc2-Ube3=1-0.7=0.3VUe4=UCES5=0.3VTTL与非门的与非门的典型电路典型电路及工作原理及工作原理补充讲座补充讲座 半导体器件及与非门半导体器件及与非门输输 入入 端端 有有 低低 电电 平平0.3V输输入入，V5管管截截止止（与非门关门）（与非门关门），输出为输出为3.6V高电平。高电平。输输入入端端全全为为3.6V高高电电平平，V5管管饱饱和和导导通通（与与非非门门开开门门） ，输输出出为为0.3V低低电电平。平。小结：小结：TTL与非门的与非门的典型电路典型电路及工作原理及工作原理