1、第14章 半導(dǎo)體器件,14.3 二極管,14.4 穩(wěn)壓二極管,14.5 雙極型晶體管,14.2 PN結(jié)及其導(dǎo)電性,14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,14.6 光電器件,本章要求： 1. 理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和 電流放大作用； 2. 了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工 作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義； 3. 會(huì)分析含有二極管的電路。,第14章 半導(dǎo)體器件,學(xué)會(huì)用工程觀點(diǎn)分析問題，就是根據(jù)實(shí)際情況, 對器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近 似,以便用簡便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。,對于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機(jī)理

2、。討論器件的目的在于應(yīng)用。,對電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，只要能滿足技術(shù)指標(biāo), 就不要過分追究精確的數(shù)值。 器件是非線性的、特性有分散性、RC 的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。,14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：,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(shí), 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(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng) (可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。,14.1.1 本征半導(dǎo)體,完全純凈的、具有晶

3、體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。,晶體中原子的排列方式,硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu),共價(jià)健,共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。,價(jià)電子,價(jià)電子在獲得一定能量(溫度升高或受光照)后, 即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子(帶負(fù)電), 同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。,溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。,自由電子,在外電場的作用下, 空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于正電荷的移動(dòng))。,空穴,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1) 自由電子作定向運(yùn)動(dòng)

4、 電子電流 (2) 價(jià)電子遞補(bǔ)空穴 空穴電流,注意： (1) 本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少, 其導(dǎo)電性能很差； (2) 溫度愈高， 載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 能也就愈好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。,自由電子和空穴都稱為載流子。 自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時(shí), 又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。,14.1.2 N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體,摻雜后自由電子數(shù)目 大量增加，自由電子導(dǎo) 電成為這種半導(dǎo)體的主 要導(dǎo)電方式，稱為電子 半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。,摻入五價(jià)元素,多余電子,磷原子,在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個(gè)電子變?yōu)檎x子

5、,在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì) (某種元素) , 形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。,在N 型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。,14.1.2 N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體,摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或 P 型半導(dǎo)體。,摻入三價(jià)元素,在P 型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子, 自由電子是少數(shù)載流子。,硼原子,接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子,空穴,無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。,14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?14.2.1 PN結(jié)的形成,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),少子的漂移運(yùn)動(dòng),濃度差,P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,空間電荷區(qū)也稱 PN 結(jié),擴(kuò)散和漂移這 一對相反

6、的運(yùn)動(dòng) 最終達(dá)到動(dòng)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),擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。,內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,14.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN 結(jié)加正向電壓 (正向偏置),P接正、N接負(fù),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(shí)，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)。,PN 結(jié)變窄,IF,2. PN 結(jié)加反向電壓 (反向偏置),P接負(fù)、N接正,PN 結(jié)變寬,2. PN 結(jié)加反向電壓 (反向偏置),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

7、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(shí)，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)。,14.3 二極管,14.3.1 基本結(jié)構(gòu),(a) 點(diǎn)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。,半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào),14.3 二極管,二極管的結(jié)構(gòu)示意圖,跳轉(zhuǎn),14.3.2 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

8、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娦浴?正向特性,反向特性,特點(diǎn)：非線性,硅0.60.8V鍺0.20.3V,死區(qū)電壓,反向電流在 一定電壓范圍 內(nèi)保持常數(shù)。,14.3.3 主要參數(shù),1. 最大整流電流 IOM,二極管長期使用時(shí)，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(shí)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

9、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?1. 二極管加正向電壓(正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù))時(shí)，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(shí), 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?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。,1. 二極管檢波電路,檢波就是將低頻信號(hào)從已調(diào)制信號(hào)(高頻信號(hào))中 取出。電路及信號(hào)波形如圖所示。,在電視、廣播及通信中，為使圖像、聲音能遠(yuǎn)距 離

10、傳送，需要將這一低頻電信號(hào)馱載在高頻信號(hào)上， 這個(gè)過程叫調(diào)制。,應(yīng)用舉例,1. 二極管檢波電路,檢波就是將低頻信號(hào)從已調(diào)制信號(hào)(高頻信號(hào))中 取出。電路及信號(hào)波形如圖所示。,輸入信號(hào)為已調(diào)制信號(hào)，由電視機(jī)、收音機(jī)接收后， 由檢波二極管 D 將已調(diào)制信號(hào)的負(fù)半周去掉，然后利 用電容將高頻信號(hào)濾去, 留下低頻信號(hào), 再經(jīng)放大電路 放大，送給負(fù)載顯像管或揚(yáng)聲器，還原成圖像或聲音。,應(yīng)用舉例,2. 二極管限幅電路,限幅是指限制電路的輸出幅值。輸入信號(hào)的波形 經(jīng)限幅后，只有其中一部分傳到輸出，其余部分則被 限制而消失。 模擬電子技術(shù)中，常用限幅電路來減小和限制某 些信號(hào)的幅值，以適應(yīng)電路的不同要求，或作

11、為保護(hù) 措施。在數(shù)字電路中, 常用限幅電路來處理信號(hào)波形。 限幅電路是用具有非線性特性的器件來實(shí)現(xiàn)的， 二極管可用來組成簡單的限幅電路。限幅電路中的二 極管一般都工作在大電流范圍，所以可采用二極管的 恒壓模型來分析電路的工作原理。,二極管電路分析原則：,定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài),導(dǎo)通截止,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 二極管導(dǎo)通,例1：,取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn), 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。,若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V

12、 否則, UAB低于6V一個(gè)管壓降,為6.3或6.7V,參考點(diǎn),V陽,V陰,兩個(gè)二極管的陰極接在一 起取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開 二極管，分析二極管陽極 和陰極的電位。,V1陽 =6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= 12 V UD1 = 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 = 0 V,例2:,D1承受反向電壓為6 V,流過 D2 的電流為,求：UAB,D2 起鉗位作用， D1起隔離作用。,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

13、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)取?二極管陰極電位為 8 V,參考點(diǎn),14.4 穩(wěn)壓二極管,1. 符號(hào)和外形圖,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2. 伏安特性,使用時(shí)要加限流電阻,O,穩(wěn)定電壓UZ,最大電流,工作電流,穩(wěn)壓管正常工作時(shí)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)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。,穩(wěn)壓二極管,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(shí)管子兩端的電壓。,(2) 電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。,(3)

14、 動(dòng)態(tài)電阻,(4) 穩(wěn)定電流 IZ 、最大穩(wěn)定電流 IZM,(5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。,14.5 雙極型晶體管,14.5.1 基本結(jié)構(gòu),常見晶體管的外形圖,14.5 晶體管,晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號(hào),(a)NPN型晶體管；,(b)PNP型晶體管,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),結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,集電區(qū)： 面積最大,14. 5. 2 電流分配和放大原理,1. 三極管放大的外部條件,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏,PNP 發(fā)射結(jié)正偏 VBVB,晶體管電流放大的實(shí)驗(yàn)電路 ,設(shè) EC = 6 V，改變可變電阻 RB,

15、 則基極電流 IB、集電極電流 IC 和發(fā)射極電流 IE 都發(fā)生變化，測量結(jié)果如下表：,2. 各電極電流關(guān)系及電流放大作用,晶體管電流測量數(shù)據(jù),結(jié)論:,(1) IE = IB + IC 符合基爾霍夫定律 (2) 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(shí)質(zhì): 用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流 的變化，是CCCS器件。,(a) NPN 型晶體管；,電流方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的極性,(4) 要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，集電結(jié)必須反向偏置。,(b) PNP 型晶體管,3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)

16、規(guī)律,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。,基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。,3. 三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,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 IC ICE0,14.5.3 特性曲線,即晶體管各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是晶

17、體管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)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)。,研究特性曲線目的： (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(jì)性能良好的電路,重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)線路,1. 輸入特性,特點(diǎn):非線性,正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓： NPN型硅管 UBE 0.6 0.7V PNP型鍺管 UBE 0.2 0.3V,3DG100晶體管的 輸入特性曲線,死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。,2. 輸出特性,共發(fā)射極電路,3DG100晶體管的輸出特性曲線,在不同的 IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管 的輸出特性曲線是一組曲線。,2. 輸出特性,晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū),3DG100晶體管的輸出特性曲線,(1) 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)。 IC = IB ,具有恒流特性。,對 NPN 型管： UBE 約為 0.7V左右， UCE UBE。,(2),截止區(qū),IB = 0 的