第7章半導(dǎo)體器件7.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦?.3半導(dǎo)體二極管7.4穩(wěn)壓二極管7.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性7.5雙極型晶體管第7章半導(dǎo)體器件本章要求：一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?；二、了解二極管、穩(wěn)壓管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；三、會分析含有二極管的電路；四、了解晶體管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲，理解主要參數(shù)的意義。7.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)7.1.1

本征半導(dǎo)體完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，每個原子最外層電子數(shù)為4。++SiGe共價鍵本征半導(dǎo)體晶體中的共價健結(jié)構(gòu)：每個原子與相鄰的四個原子結(jié)合。每個原子的一個價電子與相鄰原子的一個價電子組成一電子對，由相鄰原子共有，構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)。共價鍵價電子共價鍵價電子自由電子和空穴同時產(chǎn)生半導(dǎo)體導(dǎo)電方式激發(fā)自由電子溫增/光照外加電壓電子電流離開?？昭ǎㄔ訋д姡┩饧与妷何噜徳觾r電子填補(bǔ)空穴好像空穴在運動空穴電流與金屬導(dǎo)電的區(qū)別硅原子自由電子硅原子半導(dǎo)體中的自由電子和空穴都能參與導(dǎo)電——半導(dǎo)體具有兩種載流子。共價鍵價電子小結(jié)本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不斷進(jìn)行復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復(fù)合會達(dá)到動態(tài)平衡。溫度愈高，載流子數(shù)目就愈多，導(dǎo)電性能就愈好——溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大7.1.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體在常溫下，本征半導(dǎo)體的兩種載流子數(shù)量還是極少的，其導(dǎo)電能力相當(dāng)?shù)汀Ｈ绻诎雽?dǎo)體晶體中摻入微量雜質(zhì)元素，將得到摻雜半導(dǎo)體，而摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將大大提高。由于摻入雜質(zhì)元素的不同，摻雜半導(dǎo)體可分為兩大類——N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體1.

N型半導(dǎo)體當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入微量磷(或其它五價元素)時，磷原子與周圍四個硅原子形成共價鍵后，磷原子的外層電子數(shù)將是9，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)多一個價電子。P+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余電子1.

N型半導(dǎo)體摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶體中，自由電子的數(shù)目大量增加。這種半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，稱之為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子、空穴是少數(shù)載流子。室溫情況下，本征硅中載流子有1.51010個/cm3，當(dāng)磷摻雜量在10–6量級時，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入微量硼(或其它三價元素)時，硼原子與周圍的四個硅原子形成共價鍵后，硼原子的外層電子數(shù)將是7，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)少一個價電子。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴2.

P型半導(dǎo)體綜上所述，由于摻入雜質(zhì)的不同，產(chǎn)生了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子的濃度，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但整個半導(dǎo)體晶體仍是電中性的。摻硼半導(dǎo)體中，空穴數(shù)目遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)目。主要靠空穴導(dǎo)電,稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。

空穴為多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。因為載流子帶正電或負(fù)電，原子則相反帶負(fù)電或帶正電，整個晶體不帶電。？

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時，少子的數(shù)量

（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba7.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.2.1PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對相反的運動最終達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)7.2.2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(1)PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄

P接正、N接負(fù)外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–(2)PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負(fù)、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN結(jié)變寬(2)PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負(fù)、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－7.3

半導(dǎo)體二極管7.3.1基本結(jié)構(gòu)(a)點接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號7.3

半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號D7.3.2二極管的伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。7.3.3二極管的主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管的單向?qū)щ娦?/p>

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正）時，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?/p>

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。

7.3.4二極管的應(yīng)用定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。

D6V12V3kBAUAB+–兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。

BD16V12V3kAD2UAB+–ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––7.4

穩(wěn)壓二極管符號UZIZIZMUZ

IZ7.4.1.穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO7.4.1

伏安特性U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管正常工作于反向擊穿區(qū)，常見電路如下：UiRUoRL在電路中穩(wěn)壓管是反向聯(lián)接的。當(dāng)Ui大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，穩(wěn)壓管被擊穿（在一定的電流范圍內(nèi)可逆），電流將增大，電阻R兩端的電壓增大，穩(wěn)壓管兩端的電壓基本不變，輸出電壓Uo等于Uz。1、穩(wěn)定電壓Uz

指穩(wěn)壓管正常工作時的端電壓。同一型號穩(wěn)壓管UZ也不一定相等。2、穩(wěn)定電流IZ

正常工作的參考電流值。

每種型號穩(wěn)壓管都規(guī)定有一個最大穩(wěn)定電流IZM，超過它，易發(fā)生熱擊穿（不可逆），穩(wěn)壓管損毀,IZ<IZM。U(V)0I(mA)反向正向UZIZ7.4.2

穩(wěn)壓管的主要參數(shù)3、電壓溫度系數(shù)U說明穩(wěn)壓值受溫度影響的參數(shù)，越小越好。如：穩(wěn)壓管2CW18的電壓溫度系數(shù)為0.095%/C

假如在20C時的穩(wěn)壓值為11V，當(dāng)溫度升高到50C時的穩(wěn)壓值將為特別說明：穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)有正負(fù)之別。因此選用6V左右的穩(wěn)壓管，具有較好的溫度穩(wěn)定性。7.4.2

穩(wěn)壓管的主要參數(shù)4、動態(tài)電阻rZ

穩(wěn)壓管子端電壓和通過其電流的變化量之比。穩(wěn)壓管的反向伏安特性曲線越陡，則動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓效果越好。U(V)0I(mA)反向正向UZIZIZmIZUZ5、最大允許耗散功耗PZM保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。其值為穩(wěn)定電壓和允許的最大電流乘積7.4.2

穩(wěn)壓管的主要參數(shù)例電路如圖，通過穩(wěn)壓管的電流IZ等于多少？解：UR=20-12=8VIZ=IR=8/1.6=5mA<18mA若R1=12k?，I1=?IZ=？RL=12k?I1=？I1=UZ/RL=12/12=1mAIZ=IR-I1=5-1=4mA+20VIZR=1.6k?Uz=12VIZM=18mA+DZ-IR7.5

雙極型晶體管7.5.1晶體管的結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點：集電區(qū)：面積最大7.5.2晶體管的電流放大作用1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏

PNP發(fā)射結(jié)正偏

VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

BEC+++-BEC---+2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質(zhì):用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。3.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。3.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

ICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE07.5.3

晶體管的特性曲線即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計性能良好的電路重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.

輸入特性曲線特點:非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性曲線IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：(1)放大區(qū)在放大區(qū)有IC=IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域為截止區(qū)，有IC0

。在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCEUBE時，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。7.5.4

晶體管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時，表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA