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1、电子技术第讲半导体器件现在学习的是第1页，共55页2第第1讲讲第第14章章 半导体器件半导体器件14.1 半导体的基础知识，半导体的基础知识，P型硅，型硅，N型硅型硅14.2 PN结结14.3 半导体二极管半导体二极管14.4 稳压二极管稳压二极管14.5 半导体三极管半导体三极管14.6 光电器件光电器件现在学习的是第2页，共55页314.1.1 本征半导体本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗现代电子学中，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。，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子14.1 半导体的基本知识半导体的基本知识现
2、在学习的是第3页，共55页4通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。现在学习的是第4页，共55页5硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除去表示除去价电子后的原价电子后的原子子现在学习的是第5页，共55页6共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，共价键中的两个电
3、子被紧紧束缚在共价键中，称为称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键，常温下束缚电子很难脱离共价键成为成为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电子很，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。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。是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4现在学习的是第6页，共55页7空穴：在电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后空穴：在电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，
4、共价键中就留下一个空位，称为空穴。，共价键中就留下一个空位，称为空穴。一般情况下，原子是中性的，当电子挣脱共价键的束一般情况下，原子是中性的，当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，原子的中性便被破坏，而显示带正电缚成为自由电子后，原子的中性便被破坏，而显示带正电。几个概念几个概念激发：共价键中的电子获得能量（温度升高或光照等激发：共价键中的电子获得能量（温度升高或光照等）后挣脱原子核的过程。）后挣脱原子核的过程。自由电子：价电子激发后变成为自由电子。自由电子：价电子激发后变成为自由电子。载流子：半导体中的自由电子和空穴统称为载流载流子：半导体中的自由电子和空穴统称为载流子。子。现在学习的是第7
5、页，共55页8空穴电流：在外电场的作用下，有空穴的空穴电流：在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸收相邻原子中的价电子，填补空原子可以吸收相邻原子中的价电子，填补空穴。同时，在失去了一个价电子的相邻原子穴。同时，在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴，它也可以再由的共价键中出现另一个空穴，它也可以再由其相邻原子中的价电子来递补，而在该原子其相邻原子中的价电子来递补，而在该原子中又出现一个空穴。如此下去，就中又出现一个空穴。如此下去，就好像好像空穴在空穴在运动。如此形成的电流成为空穴电流。运动。如此形成的电流成为空穴电流。本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用电子电流：加上外电场时
6、，自由电子的定向电子电流：加上外电场时，自由电子的定向运动产生的。运动产生的。现在学习的是第8页，共55页9+4+4+4+4现在学习的是第9页，共55页10几点注意：几点注意：（1）空穴运动与自由电子运动方向相反，而电子带负电）空穴运动与自由电子运动方向相反，而电子带负电，故可视为空穴带正电。，故可视为空穴带正电。（2）自由电子与空穴成对的产生，又成对的复合（）自由电子与空穴成对的产生，又成对的复合（即自由电子返回共价键的空位），温度一定时电子空穴即自由电子返回共价键的空位），温度一定时电子空穴对的产生和复合达到平衡，半导体中的载流子数目便维对的产生和复合达到平衡，半导体中的载流子数目便维持一
7、定。持一定。（3）本征半导体受到热能激发而产生的载流子数目是）本征半导体受到热能激发而产生的载流子数目是极少的，故其类似绝缘体。极少的，故其类似绝缘体。（4）载流子数目随温度的升高而增多，温度对半导）载流子数目随温度的升高而增多，温度对半导体器件的导电性能有影响，这是半导体器件工作不稳定体器件的导电性能有影响，这是半导体器件工作不稳定的一个重要因素。的一个重要因素。现在学习的是第10页，共55页1114.1.2杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会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。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
8、流子浓度大大其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴增加。载流子：电子，空穴N型半导体型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）（主要载流子为电子，电子半导体）P型半导体型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）（主要载流子为空穴，空穴半导体）现在学习的是第11页，共55页12N型半导体（电子半导体）型半导体（电子半导体）N-Negative在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），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最外层有五个
9、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，这样磷原子就束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为电子，称为施主原子施主原子,磷原子带正电。磷原子带正电。多数载流子（多子）：自由电子；少数载流子（少子）多数载流子（多子）：自由电子；少数载流子（少子）：由热能激发产生的空穴。：由热能激发产生的空穴。硅或锗硅或锗+少量磷少量磷 N型半导体型半导体现在学习的是第12页，共55页13
10、N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSi现在学习的是第13页，共55页14P型半导体（空穴半导体）型半导体（空穴半导体）P-Positive在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶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，使得硼原子成为不能移。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得
11、硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原受主原子子，硼原子带负电。，硼原子带负电。多数载流子（多子）：空穴；少数载流子（少子）：多数载流子（多子）：空穴；少数载流子（少子）：由热能激发产生的自由电子。由热能激发产生的自由电子。硅或锗硅或锗+少量硼少量硼 P型半导体型半导体现在学习的是第14页，共55页15空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动。动。现在学习的是第15页，共55页16杂质半导体的示意
12、表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体现在学习的是第16页，共55页1714.2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导型半导体和体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了的交界面处就形成了PN结。结。14.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管现在学习的是第17页，共55页18P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动（多子）内电场E漂移运动（少子）空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动现在学习的是第18页，共55页19
13、扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，扩散越荷区逐渐加宽，扩散越强则空间电荷区越宽。强则空间电荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电动越强，而漂移使空间电荷区变薄。荷区变薄。现在学习的是第19页，共55页20漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂移所以扩散和漂移这一对相反的运这一对相反的运动最终达到平衡动最终达到平衡，相当于两个区，相当于两个区之间没有电荷运
14、之间没有电荷运动，空间电荷区动，空间电荷区的厚度固定不变的厚度固定不变。现在学习的是第20页，共55页2114.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都的意思都是：是：P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都的意思都是：是：P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。现在学习的是第21页，共55页22PN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大（飘移，正向电流大（PN结电阻很低）结电阻很低）PN+_正向电流正向电流现在
15、学习的是第22页，共55页23PN结反向偏置结反向偏置+NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量漂移，反向电流很小（有少量漂移，反向电流很小（PN结呈现的反向电阻很高）结呈现的反向电阻很高）反向饱和电流反向饱和电流很小，很小，A级级现在学习的是第23页，共55页24 14.3 半导体二极管半导体二极管(1)基本结构基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号符号阳极阳极阴极阴极二极管识别：一般对小功率二极管，其阴极用灰色带标二极管识别：一般对小功率二极管，其阴极用灰色带标出。出。现在学习的是第24页，共55页25(
16、2)伏安特性伏安特性UI导通压降导通压降:硅硅管管0.60.8V,锗管锗管0.20.3V。反向击穿电压反向击穿电压U(BR)死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。UIE+-反向漏电流反向漏电流（很小，（很小，A级）级）现在学习的是第25页，共55页26（3）静态电阻）静态电阻Rd，动态电阻，动态电阻 rDUQIQUS+-R静态工作点静态工作点Q（UQ，IQ）现在学习的是第26页，共55页27（3）静态电阻）静态电阻Rd，动态电阻，动态电阻 rDiuIQUQQ IQ UQ静态电阻静态电阻：Rd=UQ/IQ （非线性）（非线性）动态电阻：动态电阻：rD=UQ/IQ在工作点在工作点Q
17、附近，动态电阻附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又近似为线性，故动态电阻又称为称为微变等效电阻微变等效电阻。现在学习的是第27页，共55页28（4）二极管主要参数）二极管主要参数最大整流电流最大整流电流IOM：二极管长时间使用时允许：二极管长时间使用时允许流过的最大正向平均电流。流过的最大正向平均电流。反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM：保证二极管不被击：保证二极管不被击穿的反向峰值电压。穿的反向峰值电压。反向峰值电流反向峰值电流IRM：二极管加上反向峰值电：二极管加上反向峰值电压时的反向电流值。压时的反向电流值。现在学习的是第28页，共55页29例例1：二极管：死区电压：二极管：死区
18、电压=0.5V，正向压降，正向压降 =0.7V(硅二极管硅二极管)理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0，正向压降，正向压降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流现在学习的是第29页，共55页30例例2：二极管的应用：二极管的应用RRLuiuRuo二极管检波作用二极管检波作用tttuiuRuotuC现在学习的是第30页，共55页31例例3：二极管的应用：二极管的应用P11，例，例14.3.2例例4：P32，习题，习题14.3.6（a）、（）、（d）二极管钳位、隔离作用二极管钳位、隔离作用作业：作业：P32，习题，习题14.3.5现在学习的是第31页，共55页3214.
19、4 稳压二极管稳压二极管IZmax+-稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作当稳压二极管工作在反向击穿状态下在反向击穿状态下,当工作电流当工作电流IZ在在Izmax和和 Izmin之间时之间时,其两端其两端电压近似为常数电压近似为常数正向同正向同二极管二极管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压现在学习的是第32页，共55页33稳压管与普通二极管比较稳压管与普通二极管比较 稳压管工作在反向击穿区；普通二极管工作在稳压管工作在反向击穿区；普通二极管工作在正向导通区。正向导通区。稳压管反向特性比普通二极管陡，电流虽然在较稳压管反向特性比普通
20、二极管陡，电流虽然在较大范围内变化，但稳压管两端电压变化很小，故大范围内变化，但稳压管两端电压变化很小，故具有稳压作用。具有稳压作用。稳压管反向击穿电压比普通二极管低：一般二极稳压管反向击穿电压比普通二极管低：一般二极管管25-50V，稳压管则较低，稳压管则较低，6V左右的稳压管最左右的稳压管最稳定。稳定。稳压管去掉反向击穿电压后，又恢复正常；稳压管去掉反向击穿电压后，又恢复正常；而普通二极管则就此损坏。而普通二极管则就此损坏。现在学习的是第33页，共55页34（1）稳定电压）稳定电压UZ：正常工作下管子两端的电：正常工作下管子两端的电压。压。（2）电压温度系数）电压温度系数 ：稳压管受温度影
21、响：稳压管受温度影响的程度系数。的程度系数。（3）动态电阻）动态电阻rZ:稳压管主要参数稳压管主要参数（4）稳定电流）稳定电流IZ：（5）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率PZM:PZM=UZ IZMUZZZIUr 现在学习的是第34页，共55页35例例1：P15，例，例14.4.1RLuiuORDZiiziLUZ例例2：稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k，输入电压，输入电压ui=12V，限流电阻，限流电阻R=200 。若。若负载电阻负载电阻变化范围为变化范围为1.5 k 4 k ，是否
22、还能稳压？，是否还能稳压？稳压二极管的应用稳压二极管的应用分析：考察分析：考察Izmin IzUBE0）。）。现在学习的是第43页，共55页44静态电流放大倍数静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数 =ICE/IBE IC/IBIC=IB动态电流放大倍数动态电流放大倍数IB：IB+IBIC：IC+IC =IC/IB一般认为：一般认为：=，近似为一常数，近似为一常数，值范围：值范围：20100 IC=IB现在学习的是第44页，共55页45电流方向和电流方向和J JE E、J JC C的极性：的极性：BECNPN型三极管型三极管BECPNP型三极管型三
23、极管现在学习的是第45页，共55页4614.5.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBUSCUSB 实验线路实验线路(共发射极接法共发射极接法)CBERC现在学习的是第46页，共55页47UCE=常数，常数，IB 与与UBE的关系曲线（同二极管）的关系曲线（同二极管）（1）输入特性）输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电压死区电压，硅管，硅管0.5V工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.7V现在学习的是第47页，共55页48（2）输出特性）输出特性(IB 常数，常数，IC与与UCE的关系曲线的关系曲线)IC(mA )1234UCE(V
24、)3691240 A60 AQQ =IC/IB=2 mA/40 A=50 =IC/IB=(3-2)mA/(60-40)A=50 =IC/IB=3 mA/60 A=50现在学习的是第48页，共55页49输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A当当UCE大于一定的数值时大于一定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC=IB,且且 IC=IB。此此区域区域称为线性放大区。称为线性放大区。此区域中此区域中UCE UBE,集电集电结正偏，结正偏，IC IB（），UCE 0.3V，称为饱，称为饱和区。和区。此区域中此区域中:IB=0,
25、IC=ICEO,UBE0），），Jc反偏反偏（UbcUBE0，IC=IB,且且 IC=IB(2)饱和区饱和区 Je正偏（正偏（Ube0），Jc正偏（正偏（Ubc0），即，即0IC，UCE 0.3V(3)截止区截止区 Je反偏，反偏，UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 现在学习的是第50页，共55页51例例1：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，晶时，晶体管的静态工作点体管的静态工作点Q位于哪位于哪个区？个区？USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区位于截止区 USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7
26、)/70=0.019 mA IC=IB=50 0.019=0.95 mA ICS=2 mA，Q位于饱和区位于饱和区(实际上，此时实际上，此时IC和和IB 已不是已不是 的关系）的关系）计算计算ICS 方法：因方法：因UCE USC RC IC 0，故，故IC USC/RC ICS 现在学习的是第52页，共55页53三极管的技术数据：（自学）三极管的技术数据：（自学）（1）电流放大倍数）电流放大倍数（2）集）集-射间穿透电流射间穿透电流ICEO（3）集）集-射间反向击穿电压射间反向击穿电压UCEO(BR)（4）集电极最大电流）集电极最大电流ICM（5）集电极最大允许功耗）集电极最大允许功耗PCMICUCE现在学习的是第53页，共55页54万用表在测量二极管、三极管中的应用万用表在测量二极管、三极管中的应用P31选择题选择题 14.5.1-14.5.6现在学习的是第54页，共55页5514.6 光电器件发光二极管：加正向电压并有足够的大的正向电流时发光。光电二极管：将接收到的光的变化转换为电流的变化。光电晶体管：利用光照控制集电极电流。现在学习的是第55页，共55页