(课件)-河北科技大学基础课教学部

河 北 科 技 大 学 基础课教学部,第 7 章 半导体器件,第七章 半导体器件,内容提要,半导体器件是电子电路的核心器件。本章首先介绍了半导体的基本知识，然后讲述了两种常用半导体器件（半导体二极管和半导体三极管）的工作原理和基本特性。本着“管为路用”的原则，在了解其基本原理的基础上，重点掌握它们的应用。,7.1 半导体基础知识,导体：金属一般都是导体。,绝缘体（电介质）：如橡胶、塑料和陶瓷等。,半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间， 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。,物体,7.1.1 半导体的导电特性,(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,一、半导体的主要特征,二、 本征半导体,纯净的半导体称为本征半导体。,硅或锗的晶体结构,1、内部结构,电子-空穴对的形成,自由电子,空穴,2、导电机理,电子电流和空穴电流相等，并且它们之和为总的导电 电流。,注意：,3.由于热激发可产生电子和空穴，因此本征半导 体的导电特性和温度有关，对温度很敏感。,总结,1.本征半导体中载流子为电子和空穴;,2.电子和空穴成对出现，浓度相等；,三、 杂质半导体,1、N型半导体,在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），就形成了N型半导体。,电子-多子； 空穴-少子。,2、P型半导体,在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），就形成了P型半导体。,空穴-多子； 电子-少子。,注意 杂质半导体中，多子的浓度取决于掺杂原子的浓度； 少子的浓度取决于温度。,a,b,c,b,a,一、PN结的形成,P区,N区,7.1.2 PN结,在交界面，由于两种载流子的浓度差，出 现多子的扩散运动。,N区,P区,在交界面，由于多子的扩散运动,经过复合, 出现空间电荷区（又称耗尽层）,N区,P区,当多子的扩散与少子的漂移达到动态平衡（扩散电流等于漂移电流），形成PN结。,PN结,N区,P区,3. 当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，形成PN结。,总结,1. 由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;,2. 内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;,二、PN结的单向导电性,1、外加正向电压,P区接电源正极，N区接电源负极，又称正向偏置。,U,内电场,外电场,外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变 窄，形成较大的扩散电流，PN结导通。,U,2、外加反向电压,7.2 半导体二极管,7.2.1 二极管的基本结构,1、 内部结构,核心部分,2、图形符号,3、分类,VD,VS,7.2.2 伏安特性,正向特性,特点：非线性,反向特性,反向击穿电压UBR,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V,导通管压降，硅管0.60.7V,锗管0.20.3V,7.2.3 主要参数,1.最大整流电流IFM,2.最大反向工作电压URM,二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。,二极管工作时允许加的最大反向电压，通常为击穿电压UBR的一半或三分之二。,半导体的参数是对其特性和极限应用的定量描述， 是设计电路时选择器件的主要依据。,3.最大反向电流IRM,为了分析问题方便，用线性化的等效模型来代替二极管。,1、二极管等效电路,（1）理想二极管模型,7.2.4 二极管的应用,导通，且导通管压降,截止,（2）非理想二极管模型,截止,【例1】画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。,二极管整流,2、应用,【例2】画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V）,0.7V,0.7V,-3V,二极管限幅,本次课掌握内容,2、N型半导体为电子型半导体； P型半导体为空穴型半导体。 3、PN结具有单向导电性。 4、二极管具有单向导电性。 理想二极管：导通管压降为0； 非理想二极管：（硅管）导通管压降为0.7V （锗管）导通管压降为0.3V,1、本征半导体电子和空穴成对出现，浓度相等;,上次课复习,2、N型半导体为电子型半导体； P型半导体为空穴型半导体。 3、PN结具有单向导电性。 4、二极管具有单向导电性。 理想二极管：导通管压降为0； 非理想二极管：（硅管）导通管压降为0.7V （锗管）导通管压降为0.3V,1、本征半导体电子和空穴成对出现，浓度相等;,7.2.5 常用的特殊二极管,1. 稳压管,1）稳压管的工作原理,稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管。,2）稳压管的图形符号,3） 稳压管的主要参数,稳定电压UZ,UZ是指稳压管击穿后正常工作时，管子两端的电压值。,稳压电流IZ,IZ是稳压管正常工作时的参考电流。电流小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。也记作IZmin,额定功耗PZM,IZM 即 IZmax,动态电阻rZ,rZ越小，稳压性能越好。,4）稳压管的稳压条件,稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。,必须工作在反向击穿状态；,流过稳压管的电流在IZ和IZM之间 。,注意！,5）稳压管的应用,典型应用电路：,RL为负载电阻，R限流电阻，当UI变化时，由于稳压管的作用，输出UO不变。,当发光二极管加正向电压，电流足够大时会发出可见光和不可见光。,2.发光二极管(LED),3. 光电二极管,工作在反向偏置状态下,7.3 半导体三极管,7.3.1 三极管的基本结构,1. 分类,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大，掺杂浓度低,发射区：掺 杂浓度较高,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,2、 符号,7.3.2 工作原理,发射结正偏，集电结反偏。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB ，多数扩散到集电结。,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。,EB,RB,Ec,IE,IB,集电结反向偏置。从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。,EB,RB,Ec,IE,IB,IC,RC,EB,RB,Ec,IE,IB,IC,RC,直流(静态)电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,交流(动态)电流放大倍数,2、饱和状态,发射结正偏，集电结正偏。,3、截止状态,发射结反偏，集电结反偏。,相当于“开关”闭合,相当于“开关”断开,管压降,7.3.3 特性曲线,实验线路,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,管压降： 硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.20.3V。,1、输入特性曲线,2、输出特性曲线,iC(mA ),当 时，iC只与iB有关，满足iC=iB。称为放大区。,放大区：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,此区域中uCEuBE，iBiC ，称为饱和区。,饱和区：发射结、集电结均正向偏置。,此区域中 : iB=0，iC0，称为截止区。,截止区：发射结、集电结均反向偏置。,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=0,3、三极管工作状态及类型的判断方法：,对于NPN型硅管：,NPN三极管处于放大状态时: UEUBUC。,PNP三极管处于放大状态时: UEUBUC。,【例1】判断以下NPN型三极管的工作状态。,放大,饱和,截止,7.3.4 例题分析,【例2】测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。,解题思路,(1)三极管处于放大状态,(3)确定三个电极,(2)确定三极管为硅管还是锗管,(4)确定为何种类型,c,c,c,c,c,c,PNP,PNP,PNP,NPN,NPN,NPN,b,b,b,b,b,b,e,e,e,e,e,e,硅管,锗管,锗管,锗管,硅管,硅管,五、主要参数,直流电流放大倍数：,交流电流放大倍数：,2. 穿透电流ICEO,温度上升时，ICEO增加很快,基极开路（IB=0）时集电极与发射极之间的反向电流，称为穿透电流ICEO,3.集电极最大允许电流ICM,当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,4.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,iCuCE=PCM,安全工作区,5.集电极最大允许功耗PCM,过损耗区,本次课掌握内容,1、三极管有两个PN结：发射结和集电结 2、三极管有NPN型和PNP型 3、三极管具有电流放大作用，此时，发射结正向偏置，集电结反向偏置。IE=IC+IB且IC=IB 4、三极管输出特性曲线有三个工作区：放大区、饱和区和截止区。 5、NPN型三极管工作在放大区时： UEUBUC,