會計學(xué)1chapter半導(dǎo)體器件東北大學(xué)解析實用1.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，例如硅、鍺、硒以及一些硫化物等都是半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力在不同的條件下有很大的差別為什么會具有這些導(dǎo)電特性？這是由半導(dǎo)體材料的原子結(jié)構(gòu)和原子之間結(jié)合方式?jīng)Q定的。①純凈的半導(dǎo)體受到加熱、光照時，導(dǎo)電能力顯著增加，利用此特性可以做成熱敏元件、光敏元件；②在純凈半導(dǎo)體中摻入微量的“雜質(zhì)”元素后，導(dǎo)電能力大大增強，可成千上萬倍地增長。1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性及PN結(jié)的形成第1頁/共46頁最常用的半導(dǎo)體材料：硅

Si(Silicon)

和鍺

Ge(Germanium)

均為四價元素，原子最外層有4個價電子。一、本征半導(dǎo)體（純凈半導(dǎo)體）單晶硅(Si)的原子結(jié)構(gòu)平面示意圖SiSiSiSiSiSiSiSiSi共價鍵價電子這種純凈的、結(jié)構(gòu)完整的單晶半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。第2頁/共46頁本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性：SiSiSiSiSiSiSiSiSi在溫度(T)一定時，載流子數(shù)量一定。當(dāng)T↑時，載流子數(shù)量↑。(3)價電子依次填補空穴，表現(xiàn)為帶正電的空穴在原子間移動，因此，空穴也是一種載流子。(2)在室溫下受熱激發(fā)時，(1)在絕對零度(T=0K)時，不導(dǎo)電，相當(dāng)于絕緣體；產(chǎn)生電子空穴對，半導(dǎo)體中有兩種載流子：電子和空穴它們同時參與導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體導(dǎo)電的重要特點，也是與金屬在導(dǎo)電機理上的本質(zhì)差別。自由電子空穴半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能受溫度影響很大。第3頁/共46頁SiSiSiSiSiSiSiSiSi共價鍵二、雜質(zhì)半導(dǎo)體：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體摻入微量的五價元素：磷P(或銻)1.N型半導(dǎo)體:多數(shù)載流子為電子，少數(shù)載流子為空穴。在室溫下就可以激發(fā)成自由電子施主原子第4頁/共46頁SiSiSiSiSiSiSiSiSi共價鍵二、雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入微量的三價元素：硼B(yǎng)(或鋁)2.P型半導(dǎo)體:受主原子空穴吸引鄰近原子的價電子填充。多數(shù)載流子為空穴，少數(shù)載流子為電子。第5頁/共46頁1.1.2PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦砸弧N結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場阻礙多子的擴散運動促進(jìn)少子的漂移運動多子濃度差異P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變窄。

擴散越強，空間電荷區(qū)越寬。最后擴散運動和漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡時，便形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即PN結(jié)。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)第6頁/共46頁二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?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，多子的擴散加強，最后形成較大的擴散電流IF

。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，有較大的正向擴散電流IF

，PN結(jié)呈現(xiàn)低電阻，即PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–第7頁/共46頁(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+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+第8頁/共46頁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，少子的漂移加強，由于少子濃度很低，形成很小的反向電流IR

。IR≈0P接負(fù)、N接正–+

PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，只有微弱的反向漂移電流IR

，PN結(jié)呈高電阻，即PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－綜上所述，PN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦?。?頁/共46頁金屬觸絲陽極引線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)面接觸型一.基本結(jié)構(gòu)陰極陽極

D按材料分：硅(Si)管和鍺(Ge)管；按工藝分：點接觸型和面接觸型；符號：(Diode)陽極陰極管殼按用途分：整流管、穩(wěn)壓管、開關(guān)管等。PN型號：2AP15二極管C:N型Si材料極性A:N型GeB:P型GeD:P型Si類型P:普通管Z:整流管K:開關(guān)管W:穩(wěn)壓管序號例如2CZ10,2CW18等。(主要介紹：結(jié)構(gòu)、特性、主要參數(shù)及應(yīng)用)1.2

半導(dǎo)體二極管第10頁/共46頁半導(dǎo)體二極管實物圖片發(fā)光二極管的正負(fù)極可從引腳長短來識別，長腳為正，短腳為負(fù)第11頁/共46頁半導(dǎo)體二極管實物圖片IN4000系列有白色圓環(huán)標(biāo)志的那一端是負(fù)極

第12頁/共46頁半導(dǎo)體二極管實物圖片大功率金屬封裝的二極管通常在外殼上采用二極管圖形符號來作為極性的標(biāo)志第13頁/共46頁反向電流IR很小，在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。二.伏安特性硅管約0.5V鍺管約0.1V反向擊穿電壓UB導(dǎo)通管壓降當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓時，正向電流迅速增加，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)反向電壓大于擊穿電壓時，二極管被擊穿，造成永久性損壞。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓U0PN+–PN–+∴二極管具有單向?qū)щ娞匦缘?4頁/共46頁三.主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM指二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

最高反向工作電壓URM是保證二極管不被擊穿所允許施加的最大反向電壓，一般是反向擊穿電壓UB的一半或三分之二。3.最大反向電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流愈小，說明管子的單向?qū)щ娦杂?。IRM受溫度的影響很大，溫度升高，反向電流顯著增加。硅管反向電流較小(幾微安)，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。第15頁/共46頁

四.應(yīng)用:

問題：如何判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？二極管正向壓降:硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：判斷二極管兩端電位V陽極，V陰極的高低。若V陽

>V陰

(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰

(反向偏置)，二極管截止若忽略管壓降，則稱為理想二極管:

正向?qū)〞r，二極管相當(dāng)于短路;

反向截止時，二極管相當(dāng)于開路。利用其單向?qū)щ娞匦?，廣泛應(yīng)用于整流、限幅與削波、鉗位與隔離、檢波、元件保護(hù)以及開關(guān)電路中。理想二極管:具有“開關(guān)特性”第16頁/共46頁判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？并計算

電壓UAB(

二極管正向壓降忽略不計)。忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V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。V陽

=－6V，V陰

=－12V

∵V陽>V陰，∴二極管導(dǎo)通。若不是理想二極管，則二極管為Ge管時,UAB為－6.3Ｖ；二極管為Si管時,UAB為－6.7V。解：D6V12V3kBAUAB+–(a)第17頁/共46頁兩個二極管的陰極接在一起(即共陰極電位)，此時陽極與陰極的電位差大者，優(yōu)先導(dǎo)通。(b)

在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–解：∴D2優(yōu)先導(dǎo)通電壓UAB

=0V設(shè)B點為電位參考點，則電位V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12V陽極與陰極的電位差UD1=6V，UD2=12VD2導(dǎo)通后,V1陰

=0V,

D1承受反向電壓，∴

D1截止。第18頁/共46頁ui>8V時，二極管導(dǎo)通，D可看作短路uo=8V

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

波形。8V例2：ui18V二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––

在這里，

D

起限幅(或削波)作用。若D反向放置,uo

波形如何？

若R與D對調(diào)位置,

uo

波形又如何？第19頁/共46頁反向特性曲線很陡IZ2.伏安特性

穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓

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)壓管在電路中實現(xiàn)穩(wěn)壓作用。IZIZM_+陰極陽極

DZ

1.符號：UZUZUIO–++–DZ

DZ

正向特性與二極管相同穩(wěn)壓管的正常工作條件：穩(wěn)壓管的工作電流不能超過IZM，使用時要加限流電阻DZIDz限流電阻R1.3穩(wěn)壓二極管第20頁/共46頁3.主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(5)電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3)動態(tài)電阻(2)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(4)最大允許耗散功率

PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。UZIZIZIZMUIUZ第21頁/共46頁1.4

半導(dǎo)體三極管一.基本結(jié)構(gòu)(1)NPN型符號：(2)PNP型(內(nèi)容：結(jié)構(gòu)、電流放大原理、特性、主要參數(shù)及應(yīng)用)C集電極Collector

B基極BaseE發(fā)射極Emitter集電區(qū)NP基區(qū)發(fā)射區(qū)N集電結(jié)發(fā)射結(jié)EBCEBC符號：C集電極B基極E發(fā)射極集電區(qū)PN基區(qū)發(fā)射區(qū)P集電結(jié)發(fā)射結(jié)IEIE第22頁/共46頁（1）按導(dǎo)電類型分分為NPN

型和PNP型。硅三極管多為NPN型，鍺三極管多為PNP型。（2）按材料分硅三極管和鍺三極管。

（3）按用途分依工作頻率：f

＞3MHz為高頻；

f

＜3MHz為低頻。依工作功率：P＞1W為大功率；

P＜0.5W為小功率；

P在0.5～1W為中功率。三極管分類:第23頁/共46頁

(a)塑封小功率三極管(b)金屬封裝低頻大功率三極管★常見的三極管外形第24頁/共46頁(c)高頻小功率三極管(d)低頻小功率三極管3DG63DG123AX31★常見的三極管外形第25頁/共46頁★三極管的型號(2)用字母表示三極管的材料與類型。如A表示PNP型鍺管，B表示NPN型鍺管，

C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。(3)用字母表明管子的用途、功能。如X表示低頻小功率管，G表示高頻小功率管，

D表示低頻大功率管，A表示高頻大功率管。

三極管的型號一般由五部分組成,如3AX31A、3DG12B、3DD15D等。下面以3DG12B為例說明各部分的含義。(1)

用數(shù)字表示電極數(shù)目?！?”代表三極管。(4)

用數(shù)字表示三極管的序號。(5)

由字母組成,表示三極管的規(guī)格號。第26頁/共46頁基區(qū)：很薄，且摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點：集電區(qū)：摻雜濃度次之這些結(jié)構(gòu)特點是它具有電流放大作用的內(nèi)在條件。第27頁/共46頁二.電流放大原理1.三極管處于放大狀態(tài)的外部條件發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置(2)對PNP型三極管

發(fā)射結(jié)正偏VE>VB

集電結(jié)反偏VB>VC從電位的角度看：

(1)對NPN型三極管

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE

集電結(jié)反偏VC>VB

即VC>VB>VE

集電極電位最高

即VE>VB>VC

發(fā)射極電位最高BECNNPEBRBECRCIEICIBBECPPNEBRBECRCIEICIB共射極放大電路第28頁/共46頁2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.010.701.502.303.103.950.010.721.542.363.184.05結(jié)論:1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

基極電流的微小變化IB能夠引起較大的集電極電流變化IC,這就是三極管的電流放大作用。

BECNNPEBRBECRCIEICIB電流放大系數(shù)：第29頁/共46頁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)擴散到集電結(jié)。擴散過來的電子看作基區(qū)的少子，漂移進(jìn)入集電區(qū)而被集電極收集，形成ICE。

集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。第30頁/共46頁3.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBEICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)通常定義為靜態(tài)(直流)電流放大倍數(shù)。稱為動態(tài)(交流)電流放大倍數(shù)。第31頁/共46頁發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極放大電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++三.

特性曲線第32頁/共46頁1.

輸入特性特點:非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VOICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++工作在放大狀態(tài)時發(fā)射結(jié)壓降：

硅管：

UBE0.6~0.7V

鍺管：UBE0.2~0.3V第33頁/共46頁2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：ICmAUCEIBECV+––+第34頁/共46頁2.輸出特性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)。第35頁/共46頁IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB=0以下區(qū)域為截止區(qū)，有IC=ICEO

0

。

在截止區(qū)，發(fā)射結(jié)處于反向偏置(或正向偏置<死區(qū)電壓)，集電結(jié)處于反向偏置。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)，IB增加IC不再增加，IC≠IB，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于正向偏置。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。第36頁/共46頁四.

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)晶體管接成共發(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)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。

3個一般參數(shù)；3個極限參數(shù)。第37頁/共46頁例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點，有由Q1和Q2點，得第38頁/共46頁2.集-基極反向飽和電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極穿透電流ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。第39頁/共46頁4.

集電極最大允許電流ICM5.

集-射極反向擊穿電壓UCEO(BR)

集電極電流IC超過一定值時，其值要下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。

當(dāng)集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓UCEO(BR)

。6.

集電極最大允許耗散功耗PCMPCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。