1、电 工 学,第1章 半导体器件,1.1.1 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体（常用硅、锗等四价元素构成）。,晶体中原子的排列方式,1.1 半导体的基础知识,如何导电？,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,自由电子和空穴成对出现,空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。,图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图,空穴的运动,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空
2、穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理：,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 ：(1)自由电子作定向运动 电子电流(2) 空穴 运动空穴电流,说明：(1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差；(2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能 也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为N型半导体。,掺入五价元素（如磷P）。,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,1.1.2 N型半导体和 P 型半导体,N型半导体：,B
3、,在室温下就可以激发成自由电子,N型半导体：,P 型半导体：,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素（如：硼B）,半导体的特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,2. 在杂质半导体中少子的数量与（a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数
4、量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,5.是否N型半导体带负电，P型半导体带正电？,1.2 PN结的形成及其单向导电性,1.2.1 PN结的形成,扩散运动：多数载流子的浓度差产生的运动。,漂移运动：少数载流在电场作用下产生的运动。,多数载流子是电子，少数载流子是空穴。,多数载流子是 空穴，少数载流子是电子。,PN结：在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,
5、内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变窄。,P区,N区,平衡状态下的PN结：,动画,多数载流子产生的扩散运动使内电场增强，少数载流子在内电场作用下产生漂移运动削弱内电场。当扩散运动与漂移运动达到动态平衡（扩散运动=漂移运动）时，即形成稳定的PN结。,1.2.2 PN结导电特性,PN结外加正向电压,电源的正极接P区，负极接N区，这种接法叫做PN结加正向电压或正向偏置。,P区,N区,PN结外加反向电压,电源的正极接N区，负极接P区，这种接法叫做PN结加反向电压或反向偏置。,动画,PN结导电特性:,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,PN 结加
6、反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,1.3 半导体二极管,1.3.1 基本结构,(a) 点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,整流二极管,高频开关二极管,节能灯用优质二极管,桥堆（桥式二极管）,1.3.2 伏安特性,硅管0.5V, 锗管0.1V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,
7、特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,1.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向工作峰值电压URM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3. 反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,二极管的单向导电性,
8、1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )
9、，二极管截止,若理想二极管：正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 VV阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,方法：取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UVD1 = 6V，UD2 =12V UVD2 UD1 VD2 优先导通， V
10、D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,VD1承受反向电压为6 V,流过 VD2 的电流为,求：UAB,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8Vui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,参考点,二极管阴极电位为 8 V,1.4 稳压二极管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,VZ,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ
11、 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2) 电压温度系数环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,应用：为使稳压管不导致热击穿，使用时必须在电路中串联电阻，这个电阻称为限流电阻。,例：求通过稳压管的电流Iz=? 限流电阻R值是否合适？,解：,1.5 双极型晶体管,1.5.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,VT,VT,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集
12、电结,结构特点：,集电区： 面积最大,1.5. 2 电流放大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正向偏置、集电结反向偏置,PNP： 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN ： 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,2. 各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大 变化的特性称为晶体管的电流放大作用。,3.三极管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,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。
13、,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,3. 三极管内部载流子的运动规律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数,(常用公式),1.5.3 特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路
14、,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,1. 输入特性：,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压： NPN型硅管UBE 0.60.7V PNP型锗管UBE 0.2 0.3V,2. 输出特性：,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,在放大区有 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,在截
15、止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。 深度饱和时，硅管UCES 0.3V，锗管UCES 0.1V。,1.5.4 主要参数,1. 电流放大系数: ,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,2.集-基极
16、反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。,当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。PC PCM =IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。求 和,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,
