第1章-半導(dǎo)體器件

第一章半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3特殊二極管1.4集成穩(wěn)壓器1.5半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體器件是電子技術(shù)的重要組成部分。半導(dǎo)體器件的發(fā)展：分立半導(dǎo)體器件→小規(guī)模集成電路→中規(guī)模集成電路→大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。最常用的半導(dǎo)體器件：半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管。半導(dǎo)體二極管和三極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和參數(shù)是學(xué)習(xí)電子技術(shù)和分析電子電路必不可少的基礎(chǔ)。第一章半導(dǎo)體器件一、記住基本元件的電路符號(hào)、伏安特性和元件在電路中的作用。二、會(huì)分析簡單的電路第一章半導(dǎo)體器件要求：按導(dǎo)電能力的不同，物質(zhì)可以分為：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。常用的半導(dǎo)體材料：四價(jià)元素Si（硅）、Ge（鍺）。1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)GeSi28184+32+14284★硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)★完全純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體?！飸?yīng)用最多的本征半導(dǎo)體為鍺和硅，它們各有四個(gè)價(jià)電子，都是四價(jià)元素。硅(Si)的原子結(jié)構(gòu)1.1.1本征半導(dǎo)體SiSiSiSi自由電子：帶負(fù)電空穴：帶正電束縛電子

在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。載流子:自由電子和空穴1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體（多數(shù)載流子為電子，亦稱電子半導(dǎo)體）P型半導(dǎo)體（多數(shù)載流子為空穴，亦稱空穴半導(dǎo)體）★在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，便成為雜質(zhì)半導(dǎo)體，會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化?！?/p>

N(Negative負(fù)的)型半導(dǎo)體●在硅或鍺的晶體中摻入微量的磷（或其它五價(jià)元素）。

●自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子?！穹Q電子型半導(dǎo)體

或N型半導(dǎo)體磷元素的原子結(jié)構(gòu)圖SiSiP+Si多余電子★P（Positive正的）型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入硼（或其它三價(jià)元素）。

空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。稱空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。SiSiB-Si空穴

不論N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個(gè)晶體仍然是不帶電的——電中性。1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。

1.1.3

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E少子漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)磷離子硼離子漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，空間電荷區(qū)的寬度固定不變。磷離子硼離子－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)磷離子硼離子PN結(jié)1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴、N區(qū)中的電子（都是多子）向?qū)Ψ綌U(kuò)散。3、P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子）數(shù)量有限，由它們形成的電流很小。注意:2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴馪N結(jié)外加正向電壓（正向偏置）：P區(qū)接外部電源的正極、N區(qū)接外部電源的負(fù)極。

●PN結(jié)外加反向電壓（反向偏置）：

P區(qū)接外部電源的負(fù)極、N區(qū)接外部電源的正極?！馪N結(jié)的單向?qū)щ娦允荘N結(jié)的基本特性，只有在外加電壓（偏置電壓）時(shí)才能顯現(xiàn)出來。－－－－++++RE（1）PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形成較大的擴(kuò)散電流。正向偏置使PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，從而形成較大的正向電流。–+變窄PN內(nèi)電場方向外電場方向RI（2）PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場NP+_內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制，少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向漂移電流。RE反向偏置使PN結(jié)截止

PN結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流是少子的漂移電流

----反向電流特點(diǎn):受溫度影響大原因:反向電流是靠本征激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的。+-變寬PN內(nèi)電場方向外電場方向RI=0結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

正向?qū)?，反向截止?/p>

（1）PN結(jié)加正向電壓時(shí)，處在導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)電阻很低，正向電流較大。（2）PN結(jié)加反向電壓時(shí)，處在截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電阻很高，反向電流很小。1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1

基本結(jié)構(gòu)將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。按結(jié)構(gòu)分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩種。點(diǎn)接觸型金銻合金面接觸型N型鍺

正極引線負(fù)極引線PN結(jié)底座鋁合金小球引線觸絲N型鍺外殼小功率高頻大功率低頻按材料分：硅管（一般為面接觸型）和鍺管（一般為點(diǎn)接觸型）。按用途分：普通二極管、整流二極管和開關(guān)二極管。5.2半導(dǎo)體二極管1.2.1基本結(jié)構(gòu)★二極管的幾種外形：陽極陰極★二極管的電路符號(hào)：D1.2.2伏安特性UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBRUBR遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UF一般為十幾伏到幾十伏UF死區(qū)電壓硅管0.5V,

鍺管0.1V。PN+-正向偏置PN+-反向偏置反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)二極管屬于非線性電阻元件。理想二極管：正向?qū)〞r(shí)，正向壓降為零，正向電阻為零，二極管相當(dāng)于短路；反向截止時(shí)，反向電流為零，反向電阻無窮大，二極管相當(dāng)于開路。1.2.2伏安特性1.2.3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.反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓URWM一般是UBR的1/2或2/3。3.反向工作峰值電壓URWM保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓值。手冊上給出的最高反向工作電壓URWM一般是UBR的一半或三分之二。4.反向峰值電流

IRM指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向峰值電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。二極管應(yīng)用舉例☆二極管的應(yīng)用是利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、檢波、限幅、保護(hù)等等。例1:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負(fù)電源-12V。設(shè)二極管導(dǎo)通時(shí)的壓降為0.3V。VY=+2.7V解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。DA起鉗位作用，DB起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAYR二極管應(yīng)用舉例例2:試判斷圖中二極管的工作狀態(tài)，并求出二極管中的電流。(圖中的二極管為理想二極管)12VAB3kΩ6VD2D1ID2ID1+-+-解：RLuiuo二極管的應(yīng)用舉例3：二極管半波整流uiuott☆利用二極管的單向?qū)щ娞匦钥勺鳛殡娮娱_關(guān)。如下面的兩個(gè)例子就是其典型應(yīng)用。二極管的應(yīng)用舉例4：tttuiuRuoRC遠(yuǎn)小于脈沖寬度二極管起到隔離和檢波作用RRLuiuRuoC+－+－+－t1t21.2.4整流電路整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。

常見的整流電路：

半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流。分析時(shí)可把二極管當(dāng)作理想元件處理：二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。整流原理：

利用二極管的單向?qū)щ娦浴?.單相橋式整流電路★電路組成r★單相橋式全波整流電路工作原理當(dāng)u2>0

時(shí)，二極管

D1、D3導(dǎo)通?！飭蜗鄻蚴饺ㄕ麟娐饭ぷ髟懋?dāng)u2<0

時(shí)，二極管

D2、D4導(dǎo)通。★單相橋式全波整流電路的波形（1）單相橋式整流電路輸出電壓平均值（2）單相橋式整流電路輸出電流平均值幾個(gè)數(shù)量關(guān)系：（4）單相橋式整流電路二極管上承受的最高反向電壓：（3）單相橋式整流電路中二極管的平均電流：（4）變壓器容量（即視在功率）（5）單相橋式整流電路變壓器副邊電流有效值畫法例1：單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負(fù)載電阻RL=55，負(fù)載電壓Uo=110V，試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。

I2=1.11Io=21.11=2.2A

變壓器副邊電流有效值變壓器容量

S=U2I2=122

2.2=207.8VA變壓器副邊電壓U2

122V可選用二極管2CZ11C，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。例2：試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2

或D4

斷開時(shí)負(fù)載電壓的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因擊穿或燒壞而短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：當(dāng)D2或D4斷開后電路為單相半波整流電路。正半周時(shí)，D1和D3導(dǎo)通，負(fù)載中有電流過，負(fù)載電壓uo=u；負(fù)半周時(shí)，D1和D3截止，負(fù)載中無電流通過，負(fù)載兩端無電壓，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo

如果D2或D4接反則正半周時(shí)，二極管D1、D4或D2、D3導(dǎo)通，電流經(jīng)D1、D4或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。

如果D2或D4因擊穿燒壞而短路則正半周時(shí)，情況與D2或D4接反類似，變壓器及D1或D3也將因電流過大而燒壞。uo+_~u+_RLD2D4D1D32.有電容濾波的整流電路

交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動(dòng)直流，其中既有直流成份又有交流成份。濾波原理：濾波電路利用電容充放電的特性,得到較為平滑的輸出電壓波形的目的。方法：將電容與負(fù)載RL并聯(lián)。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot無濾波電容時(shí)的波形加入濾波電容時(shí)的波形電容濾波電路的特點(diǎn)：(T—電源電壓的周期)輸出電壓的脈動(dòng)程度和平均值Uo大小與放電的時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)。

RLC

越大電容器放電越慢輸出電壓的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算?。?/p>

Uo

=1.2U2(

橋式）當(dāng)負(fù)載RL開路時(shí)，UO

為了得到比較平直的輸出電壓例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。流過二極管的電流二極管承受的最高反向電壓變壓器副邊電壓的有效值uRLuo++––~+C解：1.選擇整流二極管可選用二極管2CP11IOM=100mAUDRM=50V

例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。取RLC=5T/2已知RL=50uRLuo++––~+C解：2.選擇濾波電容器可選用C=250F，耐壓為50V的極性電容器例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V。uRLuo++––~+C解：3.負(fù)載開路時(shí)4.電容斷路時(shí)1.3特殊二極管一、穩(wěn)壓二極管

一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。

△二、光電二極管△三、發(fā)光二極管D穩(wěn)壓管表示符號(hào)：DZDUIIZIZmaxUZIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。UZ動(dòng)態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。UZ反向擊穿電壓IZmin反向擊穿是可逆的☆穩(wěn)壓管的伏安特性正向+-反向+-☆穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時(shí)，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用?！罘€(wěn)壓管穩(wěn)壓電路(1)電路結(jié)構(gòu)(2)工作原理a.電網(wǎng)電壓波動(dòng)b.負(fù)載波動(dòng)通過調(diào)節(jié)R上的壓降來達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓Uo的目的?！畎l(fā)光二極管在正向電壓下工作1.3特殊二極管外形圖形符號(hào)☆發(fā)光二極管應(yīng)用電路圖☆光電二極管：工作于反向電壓i工作原理應(yīng)用電路隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用的是三端（只有輸入、輸出和公共三個(gè)引出端）固定式集成穩(wěn)壓器，具有體積小、可靠性高、使用靈活、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。常用的三端固定式集成穩(wěn)壓器分為W78XX和W79XX系列：

W78XX系列的輸出為正電壓，W79XX系列的輸出為負(fù)電壓。1.4集成穩(wěn)壓器1端:輸入端2端:輸出端3端:公共端W78XX系列穩(wěn)壓器外形1321端:公共端3端:輸入端2端:輸出端W79XX系列穩(wěn)壓器外形132注：金屬封裝和塑料封裝管腳定義不同，使用時(shí)一定要先查手冊。注：型號(hào)后XX兩位數(shù)字代表輸出的電壓值。三端集成穩(wěn)壓器固定式可調(diào)式正穩(wěn)壓W78XX負(fù)穩(wěn)壓W79XX1.集成穩(wěn)壓器的分類W78XX系列——輸出穩(wěn)定的正電壓

W7805輸出+5VW7808輸出+8VW7812輸出+12VW7815輸出+15VW79XX系列——輸出穩(wěn)定的負(fù)電壓

W7905輸出-5VW7908輸出-8VW7912輸出-12VW7915輸出-15V1.4集成穩(wěn)壓器輸出為固定電壓2.應(yīng)用電路——+_W7800系列穩(wěn)壓器基本接線圖CoW78XXCiUi+_Uo1230.1~1F1μF為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)，不致引起輸出電壓有較大的波動(dòng)，即用來改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。用來抵消輸入端接線較長時(shí)的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。用以改善波形。正負(fù)電壓同時(shí)輸出的電路W78XXCiUi+_UO123+_CiW79XX12COCO3UO輸出正負(fù)電壓2.應(yīng)用電路——三極管的作用：電流放大1.5半導(dǎo)體三極管(晶體管)BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低集電區(qū)：面積最大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高1.5半導(dǎo)體三極管(晶體管)1.5.1基本結(jié)構(gòu)發(fā)射結(jié)集電結(jié)1.5.1基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極+++++++++++++__________________________+++++++++++++JCJeBECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型B1.5半導(dǎo)體三極管(晶體管)硅管鍺管BECNPN型三極管BECPNP型三極管☆三極管符號(hào)NPNCBEPNPCBE三極管發(fā)射極的箭頭方向代表發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)發(fā)射極電流的實(shí)際流向。1.5.2電流分配和電流放大原理共發(fā)射極電路μAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6RC晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此測量結(jié)果可得出如下結(jié)論：(1)IE=IC+IB符合基爾霍夫電流定律。(2)IE和IC接近，但是比IB大得多。(3)當(dāng)IB=0（將基極開路）時(shí)，IE=ICEO，ICEO<0.001mA(4)晶體管要正常放大：發(fā)射結(jié)必須正偏，集電結(jié)必須反偏。晶體管的電流測量數(shù)據(jù)☆從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得稱為靜態(tài)電流放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的少量變化IB可以引起集電極電流較大的變化IC，這就是晶體管的電流放大作用。

式中，稱為動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)。BECNNPEBRBECIEIBEICEIcIBIc+IB=IE電流放大的本質(zhì)是：發(fā)射極電流被按照一定比例進(jìn)行分配,這一比例系數(shù)我們稱之為電流放大系數(shù)。RCICBO各級(jí)電流運(yùn)算關(guān)系BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管☆不同類型的管子，其偏置電壓不同，使用時(shí)要注意。++-+++-+1.5.3特性曲線☆用來表示該晶體管各極電壓和電流之間相互關(guān)系、反映晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)?！钜怨舶l(fā)射極接法時(shí)的輸入特性和輸出特性曲線為例。μAmAVIBICRBEC++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCERC（1）輸入特性曲線UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：NPN硅管UBE0.6~0.7V,PNP鍺管UBE-0.2~-0.3V。死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’=IC/

IB=2mA/40A=50=IC/

IB

=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/

IB=3mA/60A=50（2）輸出特性曲線輸出特性中的三個(gè)區(qū)域：IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，IC=IB,且

IC=

IB。此區(qū)域稱為線性放大區(qū)。此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓,稱為截止區(qū)。輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):(1)線性放大區(qū)IC=IB,且

IC=

IB，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。(2)飽和區(qū)

IC達(dá)飽和，IC不與IB成倍的關(guān)系，IB>IC。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏，即UCEUBE

（UCE0.3V，UBE0.7V）

(3)截止區(qū)UBE<死區(qū)電壓，(UBE≤0時(shí)可靠截止)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏，IB=0，IC=ICEO

0（ICEO穿透電流，很小，A級(jí)）

晶體管結(jié)電壓的典型數(shù)據(jù)當(dāng)晶體管飽和時(shí)，UCE

0，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開關(guān)的接通，其間電阻很??；當(dāng)晶體管截止時(shí)，IC

0，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開關(guān)的斷開，其間電阻很大?？梢?，晶體管除了具有電流放大作用外，還有開關(guān)作用。晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示：+

UBE>0

ICIB+UCE(a)放大

UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止

UBC<0++UB