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1、College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA第第6章章 半导体晶体管半导体晶体管College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA5.1 晶体管晶体管 晶晶体体管管又又称称半半导导体体管管，半半导导体体是是一一类类导导电电性性能能介介于于导导体体与与绝绝缘缘体体之之间间的的材材料料。目目前前，制制造造晶晶体体管管的的半半导导体体材材料料多多数数是是锗锗(Ge)和和硅硅(Si)。因因为为这这些些物物质质呈呈晶晶体体结结构构，所所以以称称之之为为半半
2、导导体体晶晶体体管管，简称晶体管或半导体管。简称晶体管或半导体管。发发明明者者：肖肖克克利利，巴巴本本和和布布拉拉坦坦，获获1956年年Nobel奖。奖。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA晶体二极管晶体二极管双极型晶体管双极型晶体管场效应晶体管场效应晶体管可控硅。可控硅。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA一一.晶体二极管晶体二极管College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU
3、UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA1、PN结与二极管的单向导电性结与二极管的单向导电性 用一定的工艺方法把用一定的工艺方法把P型和型和N型半导体紧密型半导体紧密地结合在一起，就会在其交界面处形成空间电荷地结合在一起，就会在其交界面处形成空间电荷区叫区叫PN结。结。当当PN结两端加上不同极性的直流电压时，结两端加上不同极性的直流电压时，其导电性能将产生很大差异
4、。这就是其导电性能将产生很大差异。这就是PN结单向结单向导电性。导电性。本征半导体就是完全纯净的、具本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。有晶体结构的半导体。本征半导体本征半导体 自由电子自由电子空穴空穴共价键共价键SiSiSiSi本征半导体中自由本征半导体中自由电子和空穴的形成电子和空穴的形成 用用得得最最多多的的半半导导体体是是硅硅或或锗锗,它它们们都都是是四四价价元元素素。将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯并并形形成成单单晶晶体体后后，便便形形成成共共价价键键结结构构。在在获获得得一一定定能能量量(热热、光光等等)后后，少少量量价价电电子子即即可可挣挣脱脱共共价价键键的的束束缚缚
5、成成为为自自由由电电子子，同同时时在在共共价价键键中中就就留留下下一一个个空空位位，称称为为空空穴穴。自自由由电电子子和和空空穴穴总总是成对出现，同时又不断复合。是成对出现，同时又不断复合。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA在在外外电电场场的的作作用用下下，自自由由电电子子逆逆着着电电场场方方向向定定向向运运动动形形成成电电子子电电流流。带带正正电电的的空空穴穴吸吸引引相相邻邻原原子子中中的的价价电电子子来来填填补补，而而在在该该原原子子的的共共价价键键中中产产生生另另一一个个空空穴穴。空空穴穴被被填填补补
6、和和相相继继产产生生的的现现象象，可可以以看看成成空空穴穴顺顺着着电电场场方方向向移移动动，形成形成空穴电流空穴电流。可可见见在在半半导导体体中中有有自自由由电电子子和和空空穴穴两两种种载载流流子子，它它们都能参与导电。们都能参与导电。空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 外电场方向外电场方向外电场方向外电场方向SiSiSiSiSiSiSiCollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINAN 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体1.N 型半导体型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入五五价价元元
7、素素磷磷，当当某某一一个个硅硅原原子子被被磷磷原原子子取取代代时时，磷磷原原子子的的五五个个价价电电子子中中只只有有四四个个用用于于组组成成共共价价键键，多多余余的的一一个个很很容容易易挣挣脱脱磷磷原原子子核核的的束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子。因因而而自自由由电电子子的的数数量量大大大大增增加加，是是多多数数载载流流子子，空穴是少数载流子，将这种半导体称为空穴是少数载流子，将这种半导体称为 N 型半导体。型半导体。SiSiSiSiSiSiSiP多余价电子多余价电子本本征征半半导导体体中中由由于于载载流流子子数数量量极极少少，导导电电能能力力很很低低。如如果果在在其其中中参参入入微微量量
8、的的杂杂质质(某某种种元元素素)将将使使其其导导电电能能力力大大大大增强。增强。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA2.P 型半导体型半导体 在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入三三价价元元素素硼硼，在在组组成成共共价价键键时时将将因因缺缺少少一一个个电电子子而而产产生生一一个个空空位位，相相邻邻硅硅原原子子的的价价电电子子很很容容易易填填补补这这个个空空位位，而而在在该该原原子子中中便便产产生生一一个个空空穴穴，使使空空穴穴的的数数量量大大大大增增加加，成成为为多多数数载载流流子子，电电子子是是少少数数
9、载载流流子子，将将这这种种半半导导体体称称为为 P 型半导体。型半导体。SiSiSiSiSiSiSiB空位空位B空穴空穴价电子填补空位价电子填补空位College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINAPN 结的形成结的形成 用用专专门门的的制制造造工工艺艺在在同同一一块块半半导导体体单单晶晶上上，形形成成 P 型型半半导导体体区区域域和和 N 型型半半导导体体区区域域，在在这这两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了一个特殊的薄层，称为了一个特殊的薄层，称为 PN 结。结。P 区区N 区区N区的电子向区的电子向P区扩散
10、并与空穴复合区扩散并与空穴复合PN 结结内电场方向内电场方向College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINAPN 结的单向导电性结的单向导电性(1)外加正向电压外加正向电压内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP 区区N 区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形成较大的正向电流成较大的正向电流Colle
11、ge of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINAP 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR外加反向电压外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少少数数载载流流子子越越过过 PN 结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行返回返回College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA半导体二极管半导体
12、二极管基本结构基本结构 将将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。点接触型点接触型表示符号表示符号正极正极负极负极金锑合金金锑合金面接触型面接触型N型锗型锗 正极引线正极引线负极引线负极引线 PN 结结底座底座铝合金小球铝合金小球引线引线触丝触丝N 型锗型锗外壳外壳College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA伏安特性伏安特性当当外外加加正正向向电电压压很很低低时时，电电流流很很小小
13、，几几乎乎为为零零。正正向向电电压压超超过过一一定定数数值值后后，电电流流很很快快增增大大，将将这这一一定定数数值值的的正正向向电电压压称称为为死死区区电电压压。通通常常，硅硅管管的的死死区区电电压压约约为为V，锗锗管管约约为为V。导导通通时时的的正向压降，硅管约为正向压降，硅管约为V，锗管约为，锗管约为V。60402002550I/mAU/V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性I/mAU/V0.20.4 25 50510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0College of Physics Science&Te
14、chnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA 在在二二极极管管上上加加反反向向电电压压时时，反反向向电电流流很很小小。但但当当反反向向电电压压增增大大至至某某一一数数值值时时，反反向向电电流流将将突突然然增增大大。这这种种现现象象称称为为击击穿穿，二二极极管管失失去去单单向向导导电电性性。产产生生击击穿时的电压称为反向击穿电压穿时的电压称为反向击穿电压 U(BR)。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA在图中，输入电位在图中，输入电位 VA=+3 V，VB=0 V，电阻电阻 R 接负电源接负
15、电源 12 V。求输出端电位。求输出端电位 VY。因因为为 VA 高高于于VB，所所以以DA 优优先先导导通通。如如果果二二极极管管的的正正向向压压降降是是 0.3 V，则则 VY=+2.7 V。当当 DA 导导通后通后,DB 因反偏而截止。因反偏而截止。在在这这里里，DA 起起钳钳位位作作用用，将输出端电位钳制在将输出端电位钳制在+2.7 V。DA 12VYVAVBDBRCollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVE
16、RSITYCHINA2、二极管的分类：、二极管的分类：按材料分：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管；按材料分：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管；按制作工艺：面接触二极管和点接触二极管；按制作工艺：面接触二极管和点接触二极管；按按用用途途分分：整整流流二二极极管管、检检波波兰兰极极管管、稳稳压压二二极极管管、变变容容二二极极管管、光光电电二二极极管管、发发光光二二极极管管、开开关关二极管等。二极管等。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA 点点接接触触型型二二极极管管由由于于接接触触面面点点小小，不不能能通通过过大
17、大电电流流，故故只只适适合合用用于于小小电电流流整整流流，又又因因为为接接触触点点小小，所以极间电容量也很小，故适用于高频电路检波。所以极间电容量也很小，故适用于高频电路检波。面面接接触触型型二二极极管管与与点点接接触触型型二二极极管管相相反反，由由于于接接触触面面大大，可可以以通通过过较较大大的的电电流流，但但极极间间电电容容量量大，因此不能用于高频电路，而主要用做整流。大，因此不能用于高频电路，而主要用做整流。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&Tec
18、hnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA 3、二极管的主要参数、二极管的主要参数最最大大整整流流电电流流(IF)：指指长长期期工工作作时时，允允许许通通过过的的最最大大正正向向电电流流值值。使使用用时时不不能能超超过过此此值值，否否则则二二极极管会发热而烧毁。管会发热而烧毁。最最高高反反向向工工作作电电压压(VB)：为为防防止止击击穿穿，使使用用时时反反向电压极限值。向电压极限值。反反向向电电流流(IR)：在在规规定定的的反反向向电电压压条条件件下下流流过过二二极管的反向电流值。极管的反向电流值。College of Physics Science&TechnologyY
19、ANGZHOU UNIVERSITYCHINA最最高高工工作作频频率率(fm)：二二极极管管具具有有单单向向导导电电性性的的最最高高交交流流信信号号的的频频率率。由由于于结结电电容容的的存存在在，当当频频率率高高到到某某一一程程度度时时，容容抗抗小小到到使使PN结结短短路路。导导致致二二极极管管失失去去单单向向导导电电性性，不不能能工工作作，PN结结面面积积越越大大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。结电容也越大，越不能在高频情况下工作。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA 4、常用二极管介绍、常用二极管
20、介绍 (1)整流二极管：整流二极管：整整流流二二极极管管主主要要用用于于整整流流电电路路，把把交交流流电电变变换换成成脉脉动动的的直直流流电电，由由于于通通过过的的正正向向电电流流较较大大，对对结结电电容容无无特特殊殊要要求求，所所以以其其PN结结多多为为面面接接触触型型，因因结结电电容容大大，故故工工作作频频率率低低。通通常常，正正向向电电流流在在1安安以以上上的的二二极极管管采采用用金金属属壳壳封封装装，以以利利于于散散热热；正正向向电流在电流在1安以下的采用全塑料封装。安以下的采用全塑料封装。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UN
21、IVERSITYCHINA塑塑 料料 封封 装装全密封金属结构全密封金属结构College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA半波整流电路半波整流电路 College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA全波整流电路全波整流电路 College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERS
22、ITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA桥式整流电路桥式整流电路 College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA-+College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA（2）桥堆）桥堆College of Physics Scienc
23、e&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics S
24、cience&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA (3)检波二极管：检波二极管：检检波波二二极极管管的的主主要要作作用用是是把把高高频频信信号号中中的的低低频频信信号号检检出出。要要求求结结电电容容小小，所所以以其其结结构构为为点点接接触触型，一般采用锗材料制成型，一般采用锗材料制成。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA(4)稳压二极管：稳压二极管：稳稳压
25、压二二极极管管是是由由硅硅材材料料制制成成的的面面结结合合型型晶晶体体二二极极管管，它它是是利利用用PN结结反反向向击击穿穿时时的的电电压压基基本本上上不不随随电电流流的的变变化化而而变变化化的的特特点点，来来达达到到稳稳压压的的目目的的，因因为为它它能能在在电电路路中中起起稳稳压压作作用用，故故称称为为稳稳压压二二极极管（简称稳压管）。管（简称稳压管）。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHIN
26、ACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA(5)发光二极管：发光二极管：发发光光二二极极管管是是一一种种将将电电能能变变成成光光能能的的半半导导体体器器件件。它它具具有有一一个个PN结结，与与普普通通二二极极管管一一样样，具具有有单单向向导导电电特特性性。当当给给发发光光二二极极管管加加上上正正向向电电压压，有有一一定定的的电流流过时就会发光。电流流过时就会发光。发发光光二二极极管管是是由由磷磷砷砷化化镓镓、镓镓铝铝砷砷等等半半导导体体材材料料制制成成。发发光光的的颜颜色色分分为为：红红光光、黄黄光光、绿绿光光、
27、三三色色变色发光。另外还有眼睛看不见的红外光二极管。变色发光。另外还有眼睛看不见的红外光二极管。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA (6).光敏二极管光敏二极管(又称为光电二极管又称为光电二极管)根根据据PN结结反反向向特特性性可可知知，在在一一定定反反向向电电压压范范围围内内，反反向向电电流流很很小小且且处处于于饱饱和和状状态态。此此时时，如如果果无无光光照照射射PN结结，则则因因本本
28、征征激激发发产产生生的的电电子子-空空穴穴对对数数量量有有限限，反反向向饱饱和和电电流流保保持持不不变变，在在光光敏敏二二极极管管中中称称为为暗暗电电流流。当当有有光光照照射射PN结结时时，结结内内将将产产生生附附加加的的大大量量电电子子空空穴穴对对（称称之之为为光光生生载载流流子子），使使流流过过PN结结的的电电流流随随着着光光照照强强度度的的增增加加而而剧剧增增，此此时时的的反反向向电电流流称称为光电流。为光电流。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&T
29、echnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA为消除光敏二极管的表面漏电流，为消除光敏二极管的表面漏电流，2DU管还有一个管还有一个环极，环极接正电源，这种接法可使负载电阻中的环极，环极接正电源，这种接法可使负载电阻中的暗电流很小暗电流很小(一般小于一般小于0.05 A)。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA（7）变容二极管 变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成
30、的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的。变容二极管有玻璃外壳封装（玻封）、塑料封装（塑封）、金属外壳封装（金封）和无引线表面封装等多种封装形式。通常，中小功率的变容二极管采用玻封、塑封或表面封装，而功率较大的变容二极管多采用金封。常用的变容二极管 常用的国产变容二极管有2CC系列和2CB系列，常用的进口变容二极管有S系列、MV系列、KV系列、1T系列、1SV系列等。College of Physics Science&Technology
31、YANGZHOU UNIVERSITYCHINA5.半导体器件型号命名方法：半导体器件型号命名方法：(1)中国半导体器件型号命名方法中国半导体器件型号命名方法(2)(2)日本半导体分立器件型号命名方法日本半导体分立器件型号命名方法(3)(3)美国半导体分立器件型号命名方法美国半导体分立器件型号命名方法(4)(4)国际电子联合会半导体器件型号命名方法国际电子联合会半导体器件型号命名方法(5)(5)欧洲早期半导体分立器件型号命名法欧洲早期半导体分立器件型号命名法College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA6、二极管的极性
32、判别、二极管的极性判别小功率二极管的小功率二极管的N极，在外表用色圈标出极，在外表用色圈标出采采用用符符号号标标志志为为“P”、“N”来来确确定定二二极极管管极极性性的的长脚为正，短脚为负长脚为正，短脚为负College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA 正向：正向：硅管：硅管：表针指示位置在中间或中间偏右一点；表针指示位置在中间或中间偏右一点；锗锗管管：表表针针指指示示在在右右端端靠靠近近满满刻刻度度的的地地方方。对对于于检检波波二二极极管管或或锗锗小小功功率率二二极极管管，使使用用R100挡挡，其其值值正正向向电电阻
33、阻约约为为1001000 之之间间；对对于于硅硅管管，约为几百欧到几千欧之间。约为几百欧到几千欧之间。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA反向：反向：硅管：硅管：表针在左端基本不动，极靠近表针在左端基本不动，极靠近位置，位置，锗锗管管：表表针针从从左左端端起起动动一一点点，但但不不应应超超过过满满刻刻度度的的1/4。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA锗点接触型的锗点接触型的 2AP 型二极管正向电阻在型二极管正向电阻在 1
34、K 左右，左右，反向电阻应在反向电阻应在 100K 以上以上硅面接触型的硅面接触型的 2CP 型二极管正向电阻在型二极管正向电阻在 5K 左右，左右，反相电阻应在反相电阻应在 1000K 以上以上 College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA 测量一般小功率二极管的正、反向电阻，不宜使测量一般小功率二极管的正、反向电阻，不宜使用用R1和和R10 k挡，前者通过二极管的正向电流较挡，前者通过二极管的
35、正向电流较大，可能烧毁管子；后者加在二极管两端的反向电大，可能烧毁管子；后者加在二极管两端的反向电压太高，易将管子击穿。压太高，易将管子击穿。二极管的正、反向电阻值随测量用电表的量程二极管的正、反向电阻值随测量用电表的量程(R100档还是档还是R1k档档)不同而不一样，甚至相差悬不同而不一样，甚至相差悬殊殊College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA7、二极管性能测量、二极管性能测量 二二极极管管性性能能鉴鉴别别的的最最简简单单方方法法是是用用万万用用表表测测其其正正、反反向向电电阻阻值值，阻阻值值相相差差越越大大，
36、说说明明它它的的单单向向导电性能越好。导电性能越好。判判别别发发光光二二极极管管好好坏坏，用用R10k挡挡测测其其正正、反反向向阻阻值值，当当正正向向电电阻阻小小于于50 k，反反向向电电阻阻大大于于200 k时均为正常。时均为正常。College of Physics Science&TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA8、使用常识使用常识 硅硅管管和和锗锗管管之之间间不不能能互互相相代代替替，同同类类型型管管子子可可以代替。以代替。检波管：工作频率不低于原来的管子；检波管：工作频率不低于原来的管子；整流管，反向耐压和正向电流不低于原来管子。整流管，反向耐压和正向电流不低于原来管子。