1、第4章 實用半導(dǎo)體器件本章內(nèi)容簡介：1.半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.半導(dǎo)體二極管3.雙極性三極管（三極管、場效應(yīng)管）4.習(xí)題分析技術(shù)5.實用培訓(xùn)技術(shù)4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 學(xué)習(xí)要點 1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理； 2.PN結(jié)的形成及其導(dǎo)電特性。4.1.1 本征半導(dǎo)體1、半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)如硅(Si),鍺(Ge)、本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 、載流子自由運動的帶電粒子、共價鍵相鄰原子共有價電子所形成的束縛一、有關(guān)概念自由電子二、結(jié)構(gòu)圖硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型價電子慣性核硅(鍺)的共價鍵結(jié)構(gòu)空穴可在共價鍵內(nèi)移動空穴空穴444444444受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直

2、接跳進(jìn)空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性。 價電子填補空穴的現(xiàn)象稱為復(fù)合。此時整個晶體帶電嗎？為什么？ 參與復(fù)合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價電子填補空穴的復(fù)合運動使本征半導(dǎo)體中又形成一種不同于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子載流子的運動，我們把價電子填補空穴的復(fù)合運動稱為空穴載流子運動。三、本征激發(fā)復(fù) 合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。漂 移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。兩種載流子電子(

3、自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動 結(jié)論：1. 本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少； 2. 半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電； 3. 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。 .1.2 摻雜半導(dǎo)體一、N 型半導(dǎo)體（摻入磷原子）N 型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù) 電子數(shù)二、 P 型半導(dǎo)體（摻入硼原子）P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴 多子電子 少子載流子數(shù) 空穴數(shù)結(jié)論：1.摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力優(yōu)于本征半導(dǎo)體，但仍然很弱；2.不管是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，從宏觀上講仍然是呈電中

4、性。4.1.3 PN 結(jié)的形成1. 載流子的濃度差引起多子的擴散2. 復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層) 空間電荷區(qū)特點:無載流子，阻止擴散進(jìn)行，利于少子的漂移。內(nèi)建電場3. 擴散和漂移達(dá)到動態(tài)平衡擴散電流 等于漂移電流， 總電流 I = 0。4.1.4 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?. 外加正向電壓(正向偏置)內(nèi)電場外電場外電場使多子向 PN 結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。 IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流 IF 。IF = I多子 I少子 I多子2. 外加反向電壓(反向偏置)內(nèi)電場外電場外電場使少子背離 PN 結(jié)移動， 空間電荷區(qū)變寬。IRPN 結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電

5、流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流 IRIR = I少子 0P 區(qū)N 區(qū)P 區(qū)N 區(qū)-4.2 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用學(xué)習(xí)要點1.掌握二極管基本工作原理2.掌握二極管電路的分析方法4.2.1 二極管的分類1.根據(jù)PN結(jié)面積分： （1）點接觸型 （2）面接觸型 點接觸型二極管PN結(jié)面積很小，因而結(jié)電容也小，可以在高頻下工作，適用于檢波、調(diào)制和混頻等，但管子中不允許通過較大的電流和承受較高的電壓。 面接觸型二極管則相反，由于PN結(jié)的面積大，故結(jié)電容也大，適宜在低頻電路總工作，能通過較大的電流，能承受較高的電壓，可用于整流電路等。 2.根據(jù)工作頻率分：（1）高頻管；（檢

6、波用） （2）低頻管。（整流用）3.根據(jù)功率分：（1）大功率管；（電力系統(tǒng)用） （2）中功率管；（電源整流用） （3）小功率管。（檢波用）需注意的是：整流管也有高頻管、低頻管之分。 例如：開關(guān)電源中脈沖變壓器次級整流管為高頻管，工頻變壓器次級整流管為低頻管，二者不能用錯。點接觸型正極引線觸絲N 型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線 面接觸型N型鍺PN 結(jié) 正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極引線負(fù)極引線集成電路中平面型PNP 型支持襯底2CZ42CZ44.2.2 二極管的伏安特性O(shè)uD /ViD /mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(鍺管)U UthiD 急劇

7、上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V硅管 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管 0.2 V反向特性ISU (BR)反向擊穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅) 幾十 A (鍺)U U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)伏安特性仿真實驗4.2.3 二極管的主要參數(shù)1. IF 最大整流電流(最大正向平均電流)2. URM 最高反向工作電壓，為 U(BR) / 2 3. IR 反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?4. fM 最高工作頻率(超過時單向?qū)щ娦宰儾?iDuDU (BR)I FURMO溫度對二極管特性的影響T 升高時，UD(on)以 (2 2.5) mV/

8、C 下降604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20C90C4.2.4 普通二極管電路分析1、普通二極管可采用兩種電路分析方法 為了區(qū)別其他用途的二極管，習(xí)慣上將利用單向?qū)щ娦酝瓿梢欢娐饭δ芏O管稱為普通二極管。 （1）理想開關(guān)模型方法 當(dāng)外加正向電壓遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)時： UD(on)可以視為二極管導(dǎo)通時的管壓降 即相對于大電壓UD(on)可忽略不計，從而認(rèn)定二極管上的電壓降為零，相當(dāng)于理想開關(guān)的接通狀態(tài)。反偏時二極管截止，忽略反向電流并認(rèn)定流過二極管的電流為零，相當(dāng)于理想開關(guān)的斷開狀態(tài)（設(shè)正偏時電壓降為零，反向擊穿電壓無窮大的二極管稱為理想二極管）

9、。 理想開關(guān)模型如后圖;特性uDiD符號及等效模型SS理想開關(guān)模型 正偏導(dǎo)通UD = 0反偏截止 ID = 0 U(BR) 【例4-1】硅二極管電路如下圖所示，試求當(dāng)VDD=1.5V和VDD=15V時回路電流Io和輸出電壓UO的值。(a)電 路(b)考慮 管壓降電路(c)理想開關(guān)電路解：（1）當(dāng)VDD=1.5V時，由于UDD和UD(ON)的值接近，必須考慮二極管在導(dǎo)通時的管壓降，由圖（b）可得：U0=VDD-UD(on)= 1.5-0.7=0.8（V）(2)當(dāng)VDD=15V時，VDD的值遠(yuǎn)大于UD(on) ，UD(on)可忽略不計，由圖（c）可得UO=VDD=15V?？紤]管壓降理想開關(guān)模型【例

10、4-2】理想二極管電路如下圖所示，試判定下列情況下，電路中二極管是導(dǎo)通還是截止？并求出AO二端的電壓UAO。（1）VDD1 = 6V， VDD2=12V（2）VDD1= 6V， VDD2= -12V；（3）VDD1= - 6V，VDD2= -12V。復(fù)雜的二極管電路思路點撥:假設(shè)電路接通瞬間通過各元件的電流為0 .然后計算二極管兩端電位，以此來判斷二極管工作狀態(tài)。+12V+12V+6V二極管截止，UAO=12V （2）VDD1= 6V， VDD2= -12V；UAO=？-12V-12V+6V二極管導(dǎo)通，使得A點電位鉗制為+6V，UAO=6V仿真仿真記錄（3）VDD1= - 6V，VDD2= -

11、12V，UAO=？-12V-12V-6V二極管導(dǎo)通，UAO=-6V仿真記錄【例4-3】一交流電ui 、經(jīng)過理想二極管加在負(fù)載RL上，如圖（a）試分析RL上的輸出電壓波形。 (a）電路 （ b）正半波等效電路 （c）負(fù)半波等效電路 （d） Vi、V0波形圖交流輸入電壓ui經(jīng)過二極管之后，在負(fù)載RL上只得到正半周的單一方向電壓，使電壓由輸入的交流電變成了單方向的直流電。由于整流后輸出電壓U0只有正半波，這種整流稱為半波整流。半波整流使輸出電壓有半個周期輸出為零，輸出電壓波動較大，下面的電路將有效地改善這一缺陷。交流電ui負(fù)半周加在電路上時，二極管反偏截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開 交流電ui正半周加在電路上

12、時，二極管正偏導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)接通【例4-4】VD1、VD2、VD3、VD4四個普通二極管組成一個橋式電路，電路接法如下圖（a），試分析輸出電壓U0的波形。當(dāng)交流電ui的正半周加在電路輸入端時當(dāng)交流電ui的負(fù)半周加在電路輸入端時橋式二極管整流電路，把交流電經(jīng)正、負(fù)半周后變成單一方向的脈沖直流電輸出，這種整流稱為橋式全波整流。練習(xí)題求圖中電壓表的示數(shù)?-9V-12V0VVD1導(dǎo)通VD2截止由于VD1導(dǎo)通,使得輸出被強制限制在0V,所以UO=0V課前練習(xí)題 1.圖中電路，設(shè)ui=10sint（V），且二極管有理想特性，當(dāng)開關(guān)S閉合和斷開的二種情況下，試畫出對應(yīng)的波形圖。uS課前練習(xí)題2.求圖中電壓

13、表的讀數(shù)：-6V-3V二極管截止，輸出電壓為-6V4.2.5 穩(wěn)壓二極管及實際應(yīng)用 穩(wěn)壓二極管是利用反向電擊穿特性達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的器件之一。這類二極管是面接觸型的（允許流過的電流比較大）.一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ /mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性二、主要參數(shù)1. 穩(wěn)定電壓 UZ 流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管 兩端的反向電壓值。2. 穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好， 小于 Imin 時不穩(wěn)壓。3. 最大工作電流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 動態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。幾 幾十 5. 穩(wěn)定電壓溫度

14、系數(shù) CTUZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4 V UZ 7 V，CTV 很小。【例4-5】利用穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路如下圖，R為限流電阻，Z為穩(wěn)壓二極管，試分析輸出電壓U0的穩(wěn)壓原理。UIUORRLILIRIZAB穩(wěn)壓原理：注：UAB為DZ開路時A、B間電壓DZ當(dāng)UABUZ時：DZ反向?qū)ǎ琔I增大，IR增大IZ增大，UO=UZ當(dāng)UABUZ時：DZ反向截止，UO=UAB。此時DZ不起作用。【例4-6】穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如下圖，穩(wěn)壓管的各參數(shù)為UZ=6V，IZ=5mA，Pzm=240mW，輸入電壓UI=1210%（V），最大輸出負(fù)載電流15mA，試計算選用阻

15、值、功率多大的電阻？計算電阻R的穩(wěn)壓電路 第一步：選出電源電壓最低，負(fù)載最大時的限流電阻阻值，依題意： UI低=12-(1210%) =10.8（V）最大輸出電流為15mA，加上確保穩(wěn)壓管正常工作的電流: IZ=5mA， 總電流為20mA又因為 UZ=6V 所以加在限流電阻上的壓降為：10.8-6=4.8V 選擇接近且小于計算值的標(biāo)稱電阻： R=4.8V/20mA =220。 【方法點撥】第二步：計算出該標(biāo)稱電阻在極端條件下（最高電源電壓，負(fù)載開路）的電流是或超過穩(wěn)壓管的IZM，因為： PZM=IZMUZ在限流電阻為220，負(fù)載開路時，流過穩(wěn)壓管的最大電流為：第三步：計算限流電阻的功率，一般選

16、擇3倍額定 容量值。 P=3PN =3（13.2-6）0.0330.7（W） 選擇限流電阻的功率為1W。結(jié)論：選擇阻值220，1W的電阻作為限流電阻。 I IZM 不會損壞穩(wěn)壓管限流電阻選擇為220。4.3 雙極型三極管 雙極型三極管是因為它在工作時，內(nèi)部有自由電子和空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電而得名。故它又稱為雙極結(jié)型三極管、半導(dǎo)體三極管或晶體管，簡稱三極管。它能將微弱電信號加以放大和處理，是組成各種電子產(chǎn)品和電子電路的核心器件，應(yīng)用極為廣泛。4.3.1 三極管的結(jié)構(gòu)和特點 三極管的結(jié)構(gòu)示意圖1.三極管的結(jié)構(gòu)三極管的圖形符號及電極命名:基極集電極發(fā)射極NPNPNP基極集電極發(fā)射極 三極管的圖形

17、符號 常見三極管的外形圖（a）塑封管（b）鐵殼小型管 （c）中功率管（d）大功率管2、制作工藝的特點為了保證三極管具有電流放大作用，它們在制作工藝上有以下三個特點：（1）基區(qū)做得極?。◣讉€微米），摻雜濃度最低（相對于其它兩個區(qū)），故基區(qū)多數(shù)載流子濃度最低；（2）發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高，多數(shù)載流子濃度也最高，比基區(qū)高幾百倍；（3）集電區(qū)摻雜濃度其次，多數(shù)載流子濃度比發(fā)射區(qū)低，但比基區(qū)高很多，因而三極管的發(fā)射極和集電極不能互換使用。4.3.2 三極管的電流放大原理放大條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏三極管內(nèi)部載流子的運動(1)發(fā)射區(qū) 由于發(fā)射結(jié)正向偏置，有利于多數(shù)載流子的擴散運動，又因為發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子

18、（電子）的濃度很高，因而大量的電子越過發(fā)射結(jié)向基區(qū)擴散，形成由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子流。在外電路，發(fā)射極接UBB負(fù)極，不斷給發(fā)射區(qū)補充自由電子，形成發(fā)射極電流IE（注意：IE的方向與自由電子的方向相反）?？梢姲l(fā)射極電流IE主要是發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子流形成的。（2）基區(qū) 基區(qū)同時存在兩種運動：復(fù)合和擴散。 因為基區(qū)摻雜濃度最低，多數(shù)載流子空穴數(shù)量很少，當(dāng)發(fā)射區(qū)的自由電子進(jìn)入基區(qū)后，其中少量的自由電子和基區(qū)的空穴復(fù)合，形成基極電流IB。在外電路，基極接UBB正極，不斷地從基區(qū)拉走自由電子，以補充復(fù)合掉的空穴。 與此同時，沒有進(jìn)行復(fù)合的絕大多數(shù)自由電子繼續(xù)擴散到集電結(jié)附近。（3）集電區(qū) 由于集電結(jié)反向

19、偏置，它對集電區(qū)和基區(qū)的載流子產(chǎn)生三方面的影響： A、阻止集電結(jié)兩邊的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散，即集電區(qū)的自由電子和基區(qū)的空穴很難通過集電結(jié)； B、吸引通過基區(qū)擴散到集電結(jié)附近的大量的自由電子，這些自由電子越過集電結(jié)，收集到集電區(qū)，形成集電極電流IC； C、促使集電結(jié)兩邊的少數(shù)載流子向?qū)Ψ狡?。主要是集電區(qū)的少數(shù)載流子（空穴）越過集電結(jié)，形成集電極c和基極b之間的反向飽和電流ICBO（類似二極管的IS）。 在外電路，集電極接Ucc正極，不斷地從集電區(qū)拉走自由電子，以保證集電區(qū)能收集到比較多的自由電子，使 ICIB 。 2、三極管的電流分配（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù) 和 共射直流電流放大系數(shù) ： 三

20、極管制成后，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的自由電子中，在基區(qū)復(fù)合的少部分和擴散到集電區(qū)的大部分之間的比例就確定了，這個比值是一個常數(shù)，用 表示，稱為共射直流電流放大系數(shù). 共射交流電流放大系數(shù)： 當(dāng)基極電流是一個交流信號ib時，它會有一個較小的變化量ib，相對應(yīng)的集電極電流ic也是一個交流信號，此時會有一個較大的變化量ic，這兩個變化的電流量之比用表示，稱為共射交流電流放大系數(shù)。 和的數(shù)值和差別很小，在一般情況下不再嚴(yán)格區(qū)分。 三極管電流的分配關(guān)系式： (2)共基極電流放大系數(shù) 和共基直流電流放大系數(shù) 當(dāng)三極管接成共基極組態(tài)時，其集電極電流和發(fā)射極電流之比也是確定的常數(shù)，用 表示，稱為共基直流電流放大系數(shù)

21、。共基交流電流放大系數(shù) : 電流變化量ic和ie之比用表示，稱為共基交流電流放大系數(shù)。 和 的數(shù)值和差別很小，在一般情況下，不再嚴(yán)格區(qū)分。 和這兩個參數(shù)不是獨立的，它們之間存在以下關(guān)系： 或 3、三極管的電流放大作用（1）三極管電極間的電流分配規(guī)律符合KCL定律：（2）改變基極電流IB（ib）的值會引起IC（ic）和IE（ie）的變化。（3）集電極電流和基極電流之比為常數(shù)。（4）由于 ，當(dāng)基極電流有微小變化時，集電極電流和發(fā)射極電流將會發(fā)生很大的變化，即 ，所以說三極管具有電流“放大”作用。 ewb實驗-三極管放大4.3.3 三極管共發(fā)射極電路的特性曲線1.輸入特性曲線: 三極管共發(fā)射極電路輸

22、入特性曲線是指UCE為常數(shù)時，輸入回路中的電流iB和電壓uCE之間的關(guān)系曲線。 三極管輸入特性有以下幾個特點： （1）當(dāng)uCE=0V時，輸入特性如同二極管正向特 性。 （2）當(dāng)uCE0V時，曲線略向右移。 （3）當(dāng)uCE1V后，集電結(jié)反偏，三極管工作在放大狀態(tài)時就用這條曲線。（4）對應(yīng)uCE1V的輸入特性曲線，當(dāng)UBE0.5V時，硅三極管的IB=0，只有UBE0，才不為零因此硅三極管的導(dǎo)通電壓為0.5V，小于導(dǎo)通電壓的范圍稱為截止區(qū)。NPN型硅三極管輸入特性曲線2、輸出特性曲線 三極管共射極電路的輸出特性是指當(dāng)IB為參變量（常數(shù)）時，IC和UCE之間的關(guān)系曲線。 即 =常數(shù)輸出特性曲線劃分為三個區(qū)域：截止區(qū)，放大區(qū)和飽和區(qū)。 （1）截止區(qū):將IB0區(qū)域稱為截止區(qū)，此時外電路電壓的特點為：發(fā)射結(jié)反偏，