第一章 半導(dǎo)體器件

1、 一、理解一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕w管的電流結(jié)的單向?qū)щ娦?，晶體管的電流 分配和電流放大作用；分配和電流放大作用； 二、了解二極管、穩(wěn)壓管和晶體管的基本構(gòu)二、了解二極管、穩(wěn)壓管和晶體管的基本構(gòu) 造、工作原理和特性曲線，理解主要參造、工作原理和特性曲線，理解主要參 數(shù)數(shù) 的意義；的意義； 三、會(huì)分析含有二極管的電路。三、會(huì)分析含有二極管的電路。 半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。 一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體 完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征本征 半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。 1、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

2、、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 晶體中原子的排列方式晶體中原子的排列方式 Si Si Si Si Si Si 硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu) Si Si Si Si Si Si 共價(jià)鍵：共價(jià)鍵：相鄰兩個(gè)原子共相鄰兩個(gè)原子共 用一對(duì)最外層電子（價(jià)電用一對(duì)最外層電子（價(jià)電 子）的組合稱為共價(jià)鍵。子）的組合稱為共價(jià)鍵。 自由電子自由電子：共價(jià)鍵中的電子獲得：共價(jià)鍵中的電子獲得 一定能量（溫度升高或受光照）一定能量（溫度升高或受光照） 后，掙脫共價(jià)鍵的束縛（后，掙脫共價(jià)鍵的束縛（本征激本征激 發(fā)發(fā)），形成自由電子。），形成自由電子。 空穴空穴：電子掙脫共價(jià)鍵的束：電子掙脫共價(jià)鍵的束 縛形成自由電子后

3、，共價(jià)鍵縛形成自由電子后，共價(jià)鍵 中留下一個(gè)空位，稱為空穴。中留下一個(gè)空位，稱為空穴。 空穴帶正電。空穴帶正電。 一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體 2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子 電子電子 載流子載流子 空穴空穴 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 中的電流中的電流 電子電流電子電流 空穴電流空穴電流 外電場(chǎng)作用外電場(chǎng)作用 3、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度 （1 1）自由電子和）自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)空穴成對(duì)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)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

4、定的數(shù)目。平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。 （2 2）本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少）本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少, , 其導(dǎo)電性能很差；其導(dǎo)電性能很差； （3 3）溫度愈高，）溫度愈高， 載流子的數(shù)目愈多載流子的數(shù)目愈多, ,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 能也就愈好。能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。 一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體 一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體 二、二、P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 摻入微量雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。按摻入微量雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。按 摻入雜質(zhì)元素不同，可形成摻入雜質(zhì)元素不同，可

5、形成P 型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 1、P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體( (三價(jià)元素）三價(jià)元素）B原子與相鄰的原子與相鄰的Si原原 子形成共價(jià)鍵時(shí)，子形成共價(jià)鍵時(shí)， 少一個(gè)電子而形成少一個(gè)電子而形成 一個(gè)空位（中性）一個(gè)空位（中性） 相鄰原子中的價(jià)電相鄰原子中的價(jià)電 子很容易受到熱或子很容易受到熱或 其他的激發(fā)填補(bǔ)這其他的激發(fā)填補(bǔ)這 個(gè)空位，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)空位，產(chǎn)生一個(gè) 空穴空穴 B- B原子接受原子接受 一個(gè)電子一個(gè)電子 形成帶負(fù)形成帶負(fù) 電的離子電的離子 多數(shù)載流子多數(shù)載流子-空穴空穴 少數(shù)載流子少數(shù)載流子自由電子自由電子 2、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體( (五價(jià)元素）五價(jià)元素） P原子與相鄰的原

6、子與相鄰的Si 原子形成共價(jià)鍵原子形成共價(jià)鍵 時(shí)，多一個(gè)電子時(shí)，多一個(gè)電子 在常溫下多余電在常溫下多余電 子很容易形成自子很容易形成自 由電子由電子 P+ P原子失去原子失去 一個(gè)電子一個(gè)電子 形成帶正形成帶正 電的離子電的離子 多數(shù)載流子多數(shù)載流子-自由電子自由電子 少數(shù)載流子少數(shù)載流子-空穴空穴 二、二、P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 注意注意 二、二、P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 二、二、P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 三、三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?1、PN結(jié)的形成結(jié)的形成 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng) 少子的漂移運(yùn)動(dòng)少子的漂

7、移運(yùn)動(dòng) 濃度差濃度差 擴(kuò)散的結(jié)果使空間擴(kuò)散的結(jié)果使空間 電荷區(qū)變寬。電荷區(qū)變寬。 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 也稱也稱 PN 結(jié)結(jié) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū) 2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?（1） PN 結(jié)外加正向電壓導(dǎo)通結(jié)外加正向電壓導(dǎo)通 PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 外電場(chǎng)外電場(chǎng)IF 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng) P N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 三、三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?（2） PN 結(jié)外加反向電壓截止結(jié)外加反向電壓截止 + 內(nèi)電場(chǎng)被加內(nèi)電場(chǎng)被加

8、 強(qiáng)，少子的漂強(qiáng)，少子的漂 移加強(qiáng)，由于移加強(qiáng)，由于 少子數(shù)量很少，少子數(shù)量很少， 形成很小的反形成很小的反 向電流。向電流。IR 三、三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu) 觸絲觸絲 陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線 N型鍺片型鍺片 陰極引線陰極引線 外殼外殼 ( a ) 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型 結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向 電流小，高頻性能好。一般用電流小，高頻性能好。一般用 于高頻小功率的電路或數(shù)字電于高頻小功率的電路或數(shù)字電 路中的開(kāi)關(guān)元件。路中的開(kāi)關(guān)元件。 鋁合金小球鋁合金小球 N型硅型硅 陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線 PN結(jié)結(jié) 金銻合金金銻合金 底座底座 陰極引線陰極

9、引線 ( b ) 面接觸型面接觸型 結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)結(jié)面積大、正向電流大、結(jié) 電容大，工作頻率較低，一般電容大，工作頻率較低，一般 用于低頻電路或整流電路。用于低頻電路或整流電路。 陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極 (c)(c) 符號(hào)符號(hào) D 二、伏安特性二、伏安特性 反向擊穿反向擊穿 電壓電壓U(BR) 導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降 外加電壓大于死區(qū)電外加電壓大于死區(qū)電 壓二極管才能導(dǎo)通。壓二極管才能導(dǎo)通。 外加電壓大于反向擊穿電壓二極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?。管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?正向特性正向特性 反向特性反向特性 U I 死區(qū)電壓死區(qū)電壓P N + P N + 反向電流在

10、反向電流在 一定電壓范圍一定電壓范圍 內(nèi)保持常數(shù)。內(nèi)保持常數(shù)。 三、主要參數(shù)三、主要參數(shù) 1. 最大整流電流最大整流電流 IOM 二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均 電流。電流。 2. 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓URM 是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二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。二極管擊穿后單向的一半或三分之二。二極管擊穿后單向 導(dǎo)電性被破壞，甚至過(guò)熱而燒壞。導(dǎo)電性被破壞，甚至過(guò)熱而燒壞。 3. 反向峰值電流反向峰值電流IRM 指在室

11、溫時(shí)，二極管承受最高反向工作電壓時(shí)的反向漏電指在室溫時(shí)，二極管承受最高反向工作電壓時(shí)的反向漏電 流。反向電流小，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦栽胶?，流。反向電流小，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦栽胶?，IRM受溫度的受溫度的 影響，溫度越高反向電流越大。影響，溫度越高反向電流越大。 例例 題題 例例1-1 已知電路如圖所示，已知電路如圖所示，VDA和和VDB為硅二極管，為硅二極管， 若若UA=3V，UB=0V時(shí)，求輸出端時(shí)，求輸出端F的電壓值的電壓值UF。 解：兩個(gè)二極管存在優(yōu)先導(dǎo)解：兩個(gè)二極管存在優(yōu)先導(dǎo) 通現(xiàn)象。通現(xiàn)象。 VDB優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通 VDA反向截止。反向截止。 UF=UB+0.7=0.7V 例例1-2

12、 電路如圖所示，已知電源電壓電路如圖所示，已知電源電壓US=5V， 輸入信輸入信 號(hào)號(hào)ui=10sint V，設(shè)二極管為理想元件，試畫(huà)出輸出設(shè)二極管為理想元件，試畫(huà)出輸出 電壓電壓uo的波形。的波形。 例例 題題 解：解：理想二極管正向?qū)▔航禐槔硐攵O管正向?qū)▔航禐?0，反向截止漏電流為，反向截止漏電流為0。 當(dāng)當(dāng)ui US時(shí)二極管導(dǎo)通，時(shí)二極管導(dǎo)通， 輸出電壓輸出電壓 uo = US = 5V； 當(dāng)當(dāng)ui US時(shí)二極管導(dǎo)通，輸出電壓時(shí)二極管導(dǎo)通，輸出電壓 uo = US = 5V； 當(dāng)當(dāng)ui 1V UBE/V IB/A （1）當(dāng)）當(dāng)UCE =0 時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN 結(jié)并聯(lián)，

13、此時(shí)的輸入特性曲線與二結(jié)并聯(lián)，此時(shí)的輸入特性曲線與二 極管的正向伏安特性曲線相似；極管的正向伏安特性曲線相似； （2）當(dāng)）當(dāng)UCE0 時(shí)，輸入特性曲線時(shí)，輸入特性曲線 將向右移，即在將向右移，即在UBE一定時(shí)，一定時(shí)，IB將將 隨著隨著UCE的增大而減??；的增大而減??； （3）當(dāng)）當(dāng)UCE1V時(shí)，輸入特性曲線重合；時(shí)，輸入特性曲線重合； （4）存在一段死區(qū)）存在一段死區(qū) 當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，才會(huì)有電流當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，才會(huì)有電流iB。 三、三、 特性曲線特性曲線 2、輸出特性曲線、輸出特性曲線 UCE / V IC / mA IB=0 IB=20A IB=40A IB=60A

14、 IB=80A IB=100A 0 36912 1 2 3 4 1.5 2.3 輸出特性是指當(dāng)基極電流輸出特性是指當(dāng)基極電流IB為常數(shù)時(shí)，輸出電路為常數(shù)時(shí)，輸出電路 集電極電流集電極電流IC與集射極電壓與集射極電壓UCE之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 常數(shù)常數(shù) B ICEC UfI IB一定時(shí)，當(dāng)一定時(shí)，當(dāng)UCE很小時(shí)，很小時(shí)， 集電結(jié)的反向電壓很小，對(duì)集電結(jié)的反向電壓很小，對(duì) 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子吸發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子吸 引力不夠，故引力不夠，故IC很小。很小。 IC隨隨 UCE的增加顯著增加。當(dāng)?shù)脑黾语@著增加。當(dāng) UCE1V時(shí)，電子絕大部分時(shí)，電子絕大部分 被拉入集電區(qū)，所以被拉入集電區(qū)，所

15、以UCE再再 增大，增大，IC也無(wú)明顯變化。也無(wú)明顯變化。 三、三、 特性曲線特性曲線 UCE / V IC / mA IB=0 IB=20A IB=40A IB=60A IB=80A IB=100A 0 36912 1 2 3 4 1.5 2.3 截止區(qū)截止區(qū) 通常輸出特性曲線通常輸出特性曲線 分為三個(gè)區(qū)：分為三個(gè)區(qū)： （1）截止區(qū)）截止區(qū) IB0曲線以下的區(qū)曲線以下的區(qū) 域，域，uBE0.5V晶體管截晶體管截 止，可靠截止止，可靠截止uBE 0V； 發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反 偏。偏。 （2）放大區(qū)）放大區(qū) 放大區(qū)放大區(qū) 輸出特性曲線近于水平部分的區(qū)域，也稱為線性區(qū)。在放大輸

16、出特性曲線近于水平部分的區(qū)域，也稱為線性區(qū)。在放大 區(qū)，區(qū)， ， IB和和IC成正比的關(guān)系。成正比的關(guān)系。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 BC II 飽和區(qū)飽和區(qū) UCE / V IC / mA IB=0 IB=20A IB=40A IB=60A IB=80A IB=100A 0 36912 1 2 3 4 1.5 2.3 放大區(qū)放大區(qū) 截止區(qū)截止區(qū) 三、三、 特性曲線特性曲線 （3）飽和區(qū)）飽和區(qū) 在特性曲線靠近縱坐標(biāo)軸的區(qū)域，此時(shí)在特性曲線靠近縱坐標(biāo)軸的區(qū)域，此時(shí)UCE UBE ，發(fā)射發(fā)射 結(jié)正偏，集電結(jié)正偏結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。 三、三、 特性曲線特性曲線 RB EB E

17、C=UCC RC IB IC UBE UCE + + - - B C E CCCCCE RIUU EC一定，如果增大一定，如果增大IB，IC 隨之增大，隨之增大，RC上的壓降也增上的壓降也增 大，大，UCE相應(yīng)減小。相應(yīng)減小。 當(dāng)當(dāng)UCE下降到接近甚至低于下降到接近甚至低于UBE時(shí)，集電結(jié)由反偏轉(zhuǎn)時(shí)，集電結(jié)由反偏轉(zhuǎn) 為零甚至正偏，集電結(jié)失去收集電子的能力，這時(shí)為零甚至正偏，集電結(jié)失去收集電子的能力，這時(shí)IC將將 不再隨不再隨IB的增大而增加，這種現(xiàn)象稱為飽和。的增大而增加，這種現(xiàn)象稱為飽和。 BC II 深度飽和時(shí)，深度飽和時(shí)， C CC CCE R U IVU ,0 三、三、 特性曲線特性曲

18、線 例例1-4 圖示電路中，設(shè)晶體管的電流放大系數(shù)圖示電路中，設(shè)晶體管的電流放大系數(shù) =50， UBE=0.7V，EC=12V，RC=6k，RB=50k。當(dāng)。當(dāng)UI= 2V、6V和和2V時(shí)，試判斷晶體管的工作狀態(tài)。時(shí)，試判斷晶體管的工作狀態(tài)。 RB EC RC IB IC UCE + - UI + - V 解：解： （1）當(dāng)）當(dāng)UI=2V 發(fā)射結(jié)處于反偏，晶體管處于發(fā)射結(jié)處于反偏，晶體管處于 截止?fàn)顟B(tài)，截止?fàn)顟B(tài)，IB=0，IC=0，UCE=EC （2）當(dāng)）當(dāng)UI=6V 發(fā)射結(jié)處于正向?qū)òl(fā)射結(jié)處于正向?qū)?mAmA R UU I B BEI B 11. 0 50 7 . 06 三、三、 特性曲

19、線特性曲線 RB EC RC IB IC UCE + - UI + - V 基極臨界飽和電流為：基極臨界飽和電流為： mAmA R E R UE I C C C CEC BS 04. 0 650 12 IBIBS，晶體管處于飽和狀態(tài)。，晶體管處于飽和狀態(tài)。 （3）當(dāng)）當(dāng)UI2V BS B BEI B ImAmA R UU I 03. 0 50 7 . 02 晶體管工作在放大狀態(tài)。晶體管工作在放大狀態(tài)。 三、三、 特性曲線特性曲線 例：例： 測(cè)得放大電路中晶體管的直流電位如圖所示。測(cè)得放大電路中晶體管的直流電位如圖所示。 在圓圈中畫(huà)出管子，并分別說(shuō)明它們是硅管還是鍺在圓圈中畫(huà)出管子，并分別說(shuō)明它

20、們是硅管還是鍺 管。管。 12V 3V 3.7V V B C E 硅管硅管 12V 14.8V 15V V B C E 鍺管鍺管 四、四、 主要參數(shù)主要參數(shù) 1.電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) 、 B C _ I I 當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí)，當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí)， B C I I 例例1-5 在下圖中所給出在下圖中所給出3DG100晶體管的輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線 上，（上，（1）計(jì)算）計(jì)算Q1點(diǎn)處的點(diǎn)處的 ；（；（2）由）由Q1和和Q2兩點(diǎn)，計(jì)兩點(diǎn)，計(jì) 算算 。 1.5 2.3 解：解： （1）在）在Q1點(diǎn)處點(diǎn)處 mAI AI VU C B CE 5 . 1 ,40 ,6 5 .37

21、 04. 0 5 . 1 B C I I 四、四、 主要參數(shù)主要參數(shù) 1.5 2.3 （2）由）由Q1 、Q2兩點(diǎn)兩點(diǎn) 40 04. 006. 0 5 . 13 . 2 B C I I 四、四、 主要參數(shù)主要參數(shù) 四、四、 主要參數(shù)主要參數(shù) 2.集集- -基極反向飽和電流基極反向飽和電流 ICBO ICBO是當(dāng)發(fā)射極開(kāi)路時(shí)由于集電結(jié)處于反向偏置，是當(dāng)發(fā)射極開(kāi)路時(shí)由于集電結(jié)處于反向偏置， 集電區(qū)和基區(qū)的少數(shù)載流子向?qū)Ψ狡七\(yùn)動(dòng)所形成的集電區(qū)和基區(qū)的少數(shù)載流子向?qū)Ψ狡七\(yùn)動(dòng)所形成的 電流。電流。 3.集集- -射極反向飽和電流射極反向飽和電流 ICEO ICEO是當(dāng)基極開(kāi)路，集電結(jié)處于反向偏置和發(fā)

22、射結(jié)是當(dāng)基極開(kāi)路，集電結(jié)處于反向偏置和發(fā)射結(jié) 處于正向偏置時(shí)，集電極與發(fā)射極間的反向電流。處于正向偏置時(shí)，集電極與發(fā)射極間的反向電流。 4.集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM 集電極電流集電極電流IC超過(guò)一定值時(shí)，晶體管的超過(guò)一定值時(shí)，晶體管的值要減小。值要減小。 ICM表示當(dāng)表示當(dāng)值下降到正常數(shù)值的三分之二時(shí)的集電極值下降到正常數(shù)值的三分之二時(shí)的集電極 電流。電流。 5. 集集- -射極反向擊穿電壓射極反向擊穿電壓U(BR)CEO 基極開(kāi)路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許基極開(kāi)路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許 電壓。當(dāng)晶體管的集射極電壓電壓。當(dāng)晶體管的集射極電壓UCE 大于大于U(BR) CEO時(shí)，時(shí)， ICEO突然大幅度上升，說(shuō)明晶體管已被擊穿。突然大幅度上升，說(shuō)明晶體管已被擊穿。 6. 集電極最大允許