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1、第五章 常用半导体器件,5.1 半导体基础知识,导 体：电阻率小于10-4cm绝缘体：电阻率大于1010cm半导体：电阻率介于10-41010cm之间,5.1.1 本征半导体,正离子,电子空穴对的产生,共价键中原来位置留下一个空位,受热挣脱共价键束缚形成自由电子,形成电子空穴对,在外电场作用下,空穴电流,两部分电流：本征激发的自由电子形成电子电流；空穴移动产生的空穴电流,自由电子与空穴都称为载流子，在本征半导体中，自由电子和空穴的数目相同,电子运动,空穴运动,束缚电子：x2x1，x3 x2；相当于空穴：x1x2x3,5.1.2 杂质半导体,N型半导体（电子型半导体）和P型半导体（空穴型半导体）
2、,1N型半导体,掺入五价杂质元素,杂质原子提供多余的电子,电子是多数载流子空穴是少数载流子,2P型半导体,掺入三价杂质元素,杂质原子提供空穴,空穴是多数载流子电子是少数载流子,5.1.3 PN结,1PN结的形成,空穴扩散,电子扩散,载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动,当扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度就稳定下来。PN结就处于相对稳定的状态,电位壁垒UD的大小，硅材料为0.60.8V，锗材料为0.20.3V,多数载流子的扩散空间电荷区内电场,内电场阻碍扩散并使少数载流子产生漂移空间电荷区减小内电场减弱,2PN结的单向导电性,(1)外加正向电压,外加电压 PN，外电场削弱内电场，P
3、N结的动态平衡被破坏，在外电场的作用下，P区中的空穴进入空间电荷区，与一部分负离子中和，N区中的自由电子进入空间电荷区与一部分正离子中和，于是整个空间电荷区变窄，从而使多子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流，这个电流称为正向电流，其方向是从P区指向N区。这种外加电压接法称为正向偏置,(2)外加反向电压,外加电压 N P，这种情况称为PN结反向偏置。这时，外电场增强内电场的作用。在外电场的作用下，P区中的空穴和N区中的自由电子各自背离空间电荷区运动，使空间电荷变宽，从而抑制了多子的扩散，加强了少子的漂移，形成反向电流。由于少子的浓度很低，因此这个反向电流非常小，反向电流又称为反向饱和电流，通常用
4、Is表示。,结论 PN结具有单向导电性：PN结正向偏置时，回路中有较大的正向电流，PN结呈现的电阻很小，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中的电流非常小，PN结呈现的电阻非常高，PN结处于截止状态。,5.2 半导体二极管,5.2.1 二极管的结构与特性,PN结面积小，结电容小，适用于高频和小功率，用作高频检波和脉冲开关,点接触型：,面接触型：,PN结面积大，可通过较大的电流，电容效应明显。不能用于高频，常用作低频整流。,1.结构,2.特性,二极管的伏安特性曲线,二极管方程,UT=kT/q为温度电压当量。在常温（T=300K）下，UT26mV。,当二极管加正向电压时，若UUT，则，电流
5、与电压基本上为指数关系。,当二极管加反向电压时，UUT，则，IIs。,Uth称为死区电压或门坎电压。Uth的大小与材料和温度有关，通常硅管约为0.5V，锗管约为0.1V；二极管导通时的正向压降，硅管为0.60.8V，锗管为0.20.3V。,UBR称为反向击穿电压,5.2.2 二极管的主要参数,1最大整流电流IF最大整流电流是指二极管长时间工作时，允许流过二极管的最大正向平均电流，它由PN结的结面积和散热条件决定。,2最大反向工作电压UR它是二极管加反向电压时为防止击穿所取的安全电压，一般将反向击穿电压UBR的一半定为最大反向工作电压UR。,3反向电流IRIR是指二极管加上最大反向工作电压UR时
6、的反向电流。IR愈小，二极管的单向导电性就愈好。此外，由于反向电流是由少数载流子形成的，所以，温度对IR的 影响很大,4最高工作频率fMfM主要由PN结电容的大小决定，结电容愈大，则fM就越低。若工作频率超过fM，则二极管的单向导电性就变差，甚至无法使用。,二极管主要是利用其单向导电性，通常用于整流、检波、限幅、元件保护等，在数字电路中常作为开关元件。,例 在图示电路中，输入电压ui=10sintV，试画出电路的输出电压波形。设二极管为理想二极管，正向导通时压降为零，反向偏置时，反向电流为零。,解：对图 a所示电路，由于二极管具有单向导电性，在ui的正半周，D导通，uo1=ui；在ui的负半周
7、，D截止，i=0，uo1=0。,对图b所示电路，当ui5V时，D导通，uo2=5V；当ui5V时，D截止，i=0,uR=0，故uo2=ui-uR=ui。,例 求图所示电路中O点的电位。设二极管的正向压降为0.7V。,两个二极管都可能导通，由于A点电位比B点高，所以D1优先导通，D1导通后，此时D2上加的是反向电压，故D2载止。在这里D1起钳位作用，即把O点的电位钳住在2.3V，而D2起隔离作用，把输入端B和输出端O隔离开来。,解：,课堂练习：,1、求下图中的I1 I2 IO UO,2、画出下图中u0的波形,稳压管是一种用特殊工艺制造的面接触型硅二极管,5.3.1 稳压管的伏安特性和主要参数,稳
8、压管工作在反向击穿区，UZ称为稳压值,1稳压值UZ,稳压管在正常工作时管子两端的电压,2稳定电流IZ 能使稳压管正常工作的最小电流。IIZ时稳压效果较差。,3额定功耗PZ稳压管允许的最大平均功率,有的给出最大稳定电流IZM，PZ=IZMUZ,4动态电阻rZ rZ指稳压管两端电压与电流的变化量之比，定义式为：,5电压温度系数u,对硅稳压管，稳压值在4V以下的，u为负值，6V以上的，u为正值，稳压值在4V到6V之间，u最小，u一般不超过0.1%/。,5.3 稳压二极管,5.3.2 稳压管稳压电路,稳压管和限流电阻串联即构成简单的稳压电路，限流电阻R是稳压电路不可缺少的组成元件。当输入电压有波动或负
9、载电流变化时，电路自动通过调节R上的压降来保持输出电压基本不变。,（1）设RL不变，UI增大，则U0=UZ也将增大，UZ增大，使IZ增大，IR=IZ+IO及UR随之增大，从而使UO=UI-UR保持基本不变。此过程可表示为,UIUO（UZ）IZIRURUO,（2）设UI不变，RL变小，则IO增大，IR=IO+IZ及UR随之增大，UO=UI-UR=UZ相应减小，从而使IZ急剧减小，因而IR=IO+IZ保持基本不变，此过程可表示为,RLIOIRURUO（UZ）IZIR,限流电阻R在稳压管稳压电路中是必不可少的元件，为了保证稳压电路可靠地工作，必须适当选择R的阻值,5.4 半导体三极管,半导体三极管，
10、也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管,三极管由两个靠得很近的PN结组成，分PNP和NPN两种类型,5.4.1 三极管的结构与电流放大原理1三极管的结构,2三极管的电流放大原理（以NPN型为例）,三极管发射区的作用是向基区注入载流子；基区是传递和控制载流子的，而集电区是收集载流子的。要使三极管正常工作，首先发射区要向基区注入载流子电子，因此要在发射结加正向电压EB,其次要保证注入到基区的电子经过基区后传输到集电区，因此要在集电结上加反向电压EC,在这两个外加条件下，三极管内载流子的传输发生如下过程,（1）发射区向基区注入电子,发射结正向偏置，发
11、射区的多数载流子电子扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE，基区的多数载流子空穴，也要向发射区扩散，但由于基区的空穴浓度比发射区的电子浓度小得多，空穴电流很小，可以忽略,（2）电子在基区的扩散和复合,发射区扩散到基区的电子，与基区内的空穴复合，形成电流IBE。复合掉的空穴由电源补充，形成基极电流IB的主流。基区很薄且掺杂浓度很小，从发射区扩散过来的电子绝大部分到达集电结，并向集电区扩散,（3）集电区收集扩散过来的电子,集电结所加的是反向电压，它阻止集电区的多数载流子电子向基区扩散，但对从发射区扩散到基区的电子有很强的吸引力，使之很快漂移过集电结，形成电流ICE。另外，由于集电结
12、加反向电压，基区和集电区中的少数载流子产生漂移运动，形成电流ICBO，称为反向饱和电流，这个电流很小，由少数载流子的浓度决定，因此，受温度影响较大，容易使三极管工作不稳定,载流子电流和电路电流的关系,IE=ICE+IBE IB=IBE-ICBO IC=ICE+ICBO,定义三极管的电流放大系数,交流电流放大系数,例在放大电路中正常工作的三极管，测得其管脚的对地电位为U1=4V，U2=3.4V，U3=9V，试确定三极管的类型及其三个电极。,解：由于U1-U2=0.6V，为硅二极管的正向压降，故可确定三极管是硅管，且1、2之间是发射结；,3为集电极,三极管正常工作的条件是发射结正偏，集电结反偏,若
13、U1=10.3V，U2=10V，U3=3V，U1-U2=0.3V，三极管是锗管，1、2之间是发射结，3为集电极。,集电区为P型,PNP型锗管,发射结正偏UEB0,1是发射极2是基极,集电区为N型,NPN型硅管,发射结正偏UBE0,1是基极2是发射极,5.4.2 三极管的特性曲线,三极管的特性用三极管的各极电流与极间电压之间的关系来表示,UBE与IB的关系称为输入特性，把UCE和IC的关系称为输出特性,1输入特性,2输出特性,IB=0,IC=ICEO很小,发射结截止，此区域称为截止区。此时三极管的集电极C与发射极E之间相当于断开。三极管处于截止状态,UCE较小时，三极管的集电极C与发射极E之间相
14、当于短接.此区域称为饱和区。此时三极管处于饱和状态。,当UCE大于1V时，IC只与IB有关，与UCE基本无关.IC IB。此区域称为线性放大区。三极管作为一个电流放大器件。此时三极管处于放大状态。,3特征频率fT：,下降到1时所对应的频率。,4集电极最大允许电流ICM,集电极电流IC超过一定值时，三极管的值就要下降，下降到正常值的2/3时的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM,5集电极发射极反向击穿电压U（BR）CEO,基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压称为反向击穿电压,6集电极最大允许耗散功率PCM,ICM、U（BR）CEO和PCM称为三极管的极限参数，这三者共同确定了三极管
15、的安全工作区,5.4.3 三极管的主要参数,1电流放大系数,2极间反向饱和电流ICBO、ICEO,ICBO为发射极开路，集电结加反向电压时的电流；ICEO为基极开路，集电结加反向电压、发射结加正向电压时的集电极电流,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,半导体三极管的型号,(b)PNP=IC/IB=1/0.01=100,课堂练习：设三极管处于放大状态，测得各脚对地的电位如下图，试判断管型（NPN或PNP）、材料（硅或锗），并确定B、E、C极。,判断方法：(1)在三个电极电压中判断有无电压差为或，从而确定材料和C极；（2）如C极电压最高，则为NPN，最低则为PNP。（3）确定B、E极。,例题：已知一NPN三极管在电路中的各极电压如下：试判断其工作状态。,
