1、,第3章 半导体器件,泸州职业技术学院机械工程系机电一体化教研室颜代书 编制,在自然界中，有许多物质很容易传导电流，称为导体。也有许多物质几乎不传导电流，称为绝缘体。还有一类物质，它的导电性能介于导体和绝缘体之间，称为半导体。,3.1 半导体及PN结,3.1.1 本征半导体,半导体的特性：当半导体受到光和热的刺激时，导电能力会发生显著的变化。,没有掺杂且无晶格缺陷的纯净产导体称为本征半导体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,半导体的原子结构,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4
2、,+4,+4,由于热激发而产,生的自由电子,自由电子移走,后留下的空穴,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,半导体的特性：（1）半导体中的自由电子和空穴都是运载电荷的粒子，称为载流子。（2）空穴的移动始终是束缚电子在共价键内的移动，它和已挣脱共价键的自由电子是完全不同的。（3）在本征半导体内自由电子和空穴总是成对出现的，因此在任何时候，本征半导体内自由电子和空穴数总
3、是相等的。,4.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体） P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）,N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子。从而使自由电子数目增加并远远大于空穴数。这种半导体中，将以自由电子导电为主，故称其为N 型半导体。,硅或锗 +少量磷 N型半导体,
4、N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，控制掺杂的多少就可以控制多余的空穴数。 在这种半导体中空穴数远大于自由电子数，它主要靠空穴导电，因此称为P型半导体。,硅或锗 +少量硼 P型半导体,空穴,P型半导体,硼原子,硅原子,杂质半导体的示意表示法,1、 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,3.1.3 PN结,P型
5、半导体,N型半导体,扩散运动（半导体中电子和空穴从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，这种运动叫扩散运动）,漂移运动（载流子在电场作用下的运动）,空间电荷区,PN结处载流子的运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,2 、PN结的单向导电性,PN结加上正向电压。即 P区接电源正极、N区接电源负极。称为正向偏置 。,PN结加上反向电压。即P区接电源负极、N区接电源正极。称为反向偏置 。,结论：PN结正向电阻很小，反向电阻很大，具
6、有单向导电性 。导电的方向是从P区到N区，导电的条件是外加正向电压。,PN结正向偏置,内电场减弱，使扩散加强， 扩散飘移，正向电流大,P,N,+,_,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场加强，使扩散停止， 有少量飘移，反向电流很小,反向饱和电流 很小，A级,3.2 二极管的特性及主要参数,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,3.2.1 半导体二极管的结构和类型,3.2.2 二极管的伏安特性,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),正向特性表明：当加在二极管两端的正向电压很小时，流过它的正向电流也很小，当正向电压稍微增大（硅管超过0.5V，锗管超过
7、0.1V，即死区电压）时正向电流开始增大。,反向特性表明：二极管的反向电压小于某一数值时，反向电流很小，若加在二极管上的反向电压大于某一数值，反向电流会急剧增大，这种现象叫反向击穿。这个电压叫做二极管的反向击穿电压。,1、最大平均整流电流最大整流电流是指二极管长时间工作时，允许通过的最大正向平均电流。 2、最高反向工作电压最高反向工作电压是指保证二极管安全可靠工作的最高反向电压值。 3、反向电流反向电流是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,3.2.3 二极管的主要参数,4、最高工作频率,最高工作频率是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。,5、二极管的电阻,（1）直流等效
8、电阻,（2）交流等效电阻,直流电阻定义为加在二极管两端的直流电压与流过二极管的直流电流之比，即直流等效电阻的大小与二极管的工作点有关。,交流等效电阻随工作点而变化，是非线性电阻。,温度对二极管的特性有显著的影响。当温度升高时，正向特性曲线向左移，正向压降减小，而反向特性向下移，反向电流增大。若温度过高，可能导致PN结失去单向导电特性，甚至烧毁。,3.4.1 稳压二极管,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和 Izmin之间时,其两端电压近似为常数,正向同二极管,稳定电流,稳定电压,3.4 特殊二极管,稳压二极管,3.4.2 发光二极管,发光二极管简称LED，是一种通以正
9、向电流就会发光的二极管。采用不同的材料，可以发出红、橙、黄、绿、蓝色光。,图3-15 发光三极管电路符号,发光二极管伏安特性与普通二极管相似，不过它的下向导通电压较大，一般可达1.72V，发光的亮度随正向电流增大而增强，典型的工作电流为10mA左右。,发光二极管主要用于信号显示或指示，应 用时在电路中串联适当阻值的限流电阻。,发光二极管,3.4.3 光电二极管,光电二极管的结构与普通二极管相似，但其PN结面积较大，且管壳上有一个透光的窗口，可接收外部的光照。,使用时，光电二极管的PN结工作在反向偏置状态，在光照下，反向电流随光照强度的增加而长升，无光照时，反向电流很小。,图3-16 光电二极管
10、电路符号,光电二极管,3.5 半导体三极管,3.5.1 晶体三极管,NPN型,PNP型,三极管符号,注意：三极管符号中的箭头！,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,3.5.2 电流放大原理,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB ，多数扩散到集电结。,EB,RB,Ec,从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。,静态电流放大倍数,动态电流放大倍数,IB ： IB + IB,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,一般认为：表征三极管电流控制作用的参数就是电流放大系数 ，
11、近似为一常数，值范围：20100,结论：,3.5.3 晶体三极管的特性曲线,IB 与UBE的关系曲线（同二极管）,（1）输入特性,死区电压，硅管0.5V，锗管为0.2V,工作压降： 硅管UBE 0.7V，锗管为0.20.3V,（2）输出特性(IC与UCE的关系曲线),IC(mA ),Q,Q,输出特性,IC(mA ),当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB , 且 IC = IB 。此区域称为线性放大区。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBE 死区电压,，称为截止区。,输出特性三个区域的特点
12、:,(1) 放大区BE结正偏，BC结反偏， IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区BE结正偏，BC结正偏 ，即UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,1、电流放大倍数2、集电极-基极反向截止电流ICBO,3.5.4 三极管的主要参数,3、极限参数,（1）集电极最大允许电流ICM （2）集电极最大允许功耗PCM（3）反向击穿电压U CEO (BR) U CBO (BR) U EBO (BR),4、温度对晶体管特性的影响,温度主要影响三极管的导通电压、 和ICBO。当温度升高时，导通电压减小， 和ICBO增大。,3
13、.6 晶体三极管电路分析方法,3.6.1 晶体三极管开关电路,利用晶体管的饱和及截止特性可构成开关电路。,当输入电压Ui为高电平时，晶体管工作于饱和状态，c、e间等效为开关合上，LED将导通发光；当输入电压 为低电平时，晶体管截止，c、e间等效为开关断开，LED不发光。,晶体管具有开关作用，它是一个受基极信 号控制的电子开关。晶体管要起开关作用，其输入信号的幅度 必须足够大，以保证晶体管可靠地工作于截止 状态或饱和状态，即可靠地关或可靠地开。,3.6.2 晶体三极管放大电路,1、直流电路分析,例3.1如图为硅晶体管的直流电路（=100），试求该直流电路中的基极电流、集电极电流、发射结电压和集-
14、射极电压。,直流通道,（1）估算IB（ UBE 0.7V),RB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,（1）用估算法分析放大器的静态工作点（ IB、UBE、IC、UCE）,（2）估算UCE、Ic,IC,UCE,Ic= IB,已知：UCC=12V，RC=4K，RB=300K ，=37.5。,解：,请注意电路中IB和IC的数量级,UBE 0.7V,（2） 用图解法分析法求解,UCE=UCCICRC,直流负载线,与IB所决定的那一条输出特性曲线的交点就是Q点,IB,静态UCE,静态IC,给出三极管的输出特性曲线组 作出直流负载线 由直流通路求出基极电流IB 得出合适的静态工作点 求出静态值。,例：在图5
15、.1.3所示的放大电路中，已知UCC=12V,RC=4K ,RB=300K 试用图解法求放大电路的静态值。,解：UCE=UCC-RCIC 当IC=0时，CE=UCC=12V,用图解法求静态值的一般步骤如下：,据此就可在图所示的三极管的输出特性曲线组上作出直流负载线,当UCE=0时 IC=UCC/RC=12/4000=3mA,根据公式 IBUCC/RB=12/300000=40uA,由此即可得出静态工作点Q，其静态值为：IB=40uAIC=1.5mAUCE=6V,2、晶体管基本放大电路及分析方法,（1）放大电路的工作原理,放大电路是应用最广泛的一种功能电路，其作用是将输入信号进行不失真放大。,三
16、极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,共射放大电路,放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,输入,输出,参考点,共射放大电路组成,耦合电容： 电解电容，有极性， 大小为10F50F,作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使交流信号顺利输入输出。,+,+,共射放大电路组成,使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和UBE。,基极电源与基极电阻,共射放大电路,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,共射放大电路,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,单电源供电,可以省去,RB,单电源供电,由于电源的存在
17、IB0,IC0,IC,IE=IB+IC,无信号输入时, 静态工作状态,输入信号为零时电路的工作状态称为静态,IC,( IC,UCE ),(IB,UBE),静态工作点,(IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。,用放大电路的直流通道确定静态值,直流通道,动态工作波形,1、,三极管的微变等效电路,首先考察输入回路,当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。,uBE,对输入的小交流信号而言，三极管BE间等效于电阻rbe。,有信号输入时电路的工作状态称为动态。动态分析又称为交流分析,对输入的小交流信号而言，三极管BE间等效于电阻rbe。,对于小功率三
18、极管的输入电阻常用下式估算：,rbe的量级从几百欧到几千欧。,考察输出回路,所以：,输出端相当于一个受 ib控制的电流源。,且电流源两端还要并联一个大电阻rce。,rce的含义,rce很大，一般忽略。,三极管的微变等效电路,e,b,c,b,e,c,rbe,ic =ib,放大电路的微变等效电路,将交流通道中的三极管用微变等效电路代替,交流通道,微变等效电路,画晶体管放大电路的直流通路和交流通路是分析放大电路的重要环节。画直流通路的关键是将电容断路；画交流通路的关键是：大容量电容视短路；直流电源视为短路。,1、本征半导体即为纯净半导体，在室温下，其内部具有自由电子和空穴两种载流子。,本章小结,2、P型半导体中多数载流子为空穴，少数载流子为电子；N型半导体中多数载流子为电子；少数载流子为空穴。,3、PN结是P型半导体和N型半导体接触面产生的内建电场（阻挡层）。它具有单向导电性。,5、半导体三极管是PNP或NPN三层半导体组成的具有两个PN结的三端元件，它具有三种工作状态：放大、截止和饱和。三极管工作于放大状态时，具有电流放大作用。三极管工作于饱和或截止状态时，可当开关使用。,4、二极管就是一个用管壳封装的PN结，它具有单向导电性。稳压二极管稳压时工作在反向击穿区；光敏二极管和发光二极管可用来显示、传输等。,
