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下一页,返回,上一页,退出,章目录,*,/58,第,14,章 半导体器件,14.3 二极管,14.4 稳压二极管,14.5 双极型晶体管,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况,对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近,似,以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。,对于元器件，学习重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不过于追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标,就不要过分追究精确的数值。工程上允许一定的误差，可采用合理估算的方法。,14.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性：,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、晶体管和晶闸管等）。,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、光敏晶体管等)。,热敏性：,当环境温度升高时，导电能力显著增强,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,14.1.1,本征半导体,完全纯净的、晶格完整的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价键结构,共价健,共价键中的两个电子，称为,价电子,。,价电子,价电子,价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后,即可挣脱原子核的束缚，成为,自由电子,(带负电),同时共价键中留下一个空位，称为,空穴,（带正电）,。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。,空穴,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：,(1),自由电子作定向运动,电子电流,(2),价电子递补空穴,空穴电流,注意：,(1)本征半导体中的载流子数目极少,其导电性能很差;,(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性,能也就愈好。,所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和,空穴都称为载流子。,自由电子和,空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中的载流子便维持一定的数目。,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目,大量增加，自由电子导,电成为这种半导体的主,要导电方式，称为电子,半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),形成杂质半导体。,在,N,型半导体中,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,P,+,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或,P 型半导体。,掺入三价元素,在,P 型半导体中,空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。,B,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论,N,型或,P,型半导体都是中性的，对外不显电性。,14.2 PN,结及其单向导电性,14.2.1,PN,结的形成,多子的扩散运动,内电场,少子的漂移运动,浓度差,P,型半导体,N,型半导体,空间电荷区也称 PN 结。,扩散和漂移这,一对相反的运动,最终达到动态平,衡，空间电荷区,的厚度固定不变。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,形成空间电荷区,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,14.2.2 PN结的单向导电性,1.PN 结加正向电压,(正向偏置),P接正、N接负,内电场被削弱，多子的扩散加强,形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时,，,PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,PN 结变窄,外电场,I,F,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,U,2.PN 结加反向电压,(反向偏置),外电场,P接负、N接正,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,U,PN 结变宽,2.PN 结加反向电压,(反向偏置),外电场,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少,形成很小的反向电流。,I,R,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增大。,PN 结加反向电压时，,PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,U,14.3 二极管,14.3.1 基本结构,(a)点接触型,结面积小、结电容小、,正向电流小，适用于高频和,小功率工作，也用作数字电,路中的开关元件。,结面积大、结电容大、正向电流大，适用于低频整流电路。,(b)面接触型,14.3 二极管,(c)平面型,14.3.1 基本结构,用于集成电路制作工艺中。PN 结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,阳极,阴极,D,(d)符号,14.3.2 伏安特性,硅管,0.5V,锗管,0.1V,反向击穿,电压,U,(BR),导通压降,外加电压大于死区电压，二极管导通。,外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅管0,.60.8V,锗管0,.20.3V,死区电压,P,N,+,P,N,+,反向电流在,一定电压范围,内保持常数。,14.3.3 主要参数,1.,最大整流电流,I,OM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.,反向工作峰值电压,U,RWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压,U,BR,的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3.,反向峰值电流,I,RM,指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明管子的单向导电性差，,I,RM,受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,二极管,的单向导电性,1.二极管加正向电压(正向偏置，阳极接正、阴极接负)时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压(反向偏置，阳极接负、阴极接正)时,二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,分析方法：,将二极管断开。,若,V,阳,V,阴,，则二极管导通；,若,V,阳,8V，二极管导通，可看作短路，,u,O,=8V,u,I,V,B,D,A,优,先导通，,使,V,Y,=3V。,V,B,V,Y,，D,B,截止，将,V,B,与,V,Y,隔离。,3.二极管的箝,位和隔离作用,例3：,图示电路中，输入端,V,A,=+3V,V,B,=0V，试求输出端 Y 的电位,V,Y,。,设D,A,、D,B,，为理想二极管。,解：,V,Y,A,B,-12V,0V,+3V,D,A,R,D,B,D,A,起箝位作用。,D,B,起隔离作用。,14.4 稳压二极管,1.符号和外形图,U,Z,I,Z,I,ZM,U,Z,I,Z,2.伏安特性,使用时要加限流电阻,O,+,稳定电压,U,Z,最大电流,工作电流,稳压二极管正常工作时加反向电压。,稳压二极管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,稳压二极管,3.主要参数,(1),稳定电压,U,Z,稳压二极管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2),电压温度系数,u,环境温度每变化1,C引起,稳压值变化的,百分数,。,(3),动态电阻,(4),稳定电流,I,Z,、最大稳定电流,I,ZM,(5),最大允许耗散功率,P,ZM,=,U,Z,I,ZM,r,Z,愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,14.5 双极型晶体管,14.5.1 基本结构,(b),合金型,(a),平面型,常见晶体管的外形图,晶体管的结构示意图和符号,(a)NPN型晶体管；,(b)PNP型晶体管,基区：最薄，,掺杂浓度最低,发射区：掺,杂浓度最高,发射结,集电结,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,结构特点：,集电区：,面积最大,14.5.2 电流分配和放大原理,1.晶体管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP,发射结正偏,V,B,V,E,集电结反偏,V,C,V,E,集电结反偏,V,C,V,B,晶体管电流放大的实验电路,设,U,CC,=6V，改变可变电阻,R,B,则基极电流,I,B,、集电极电流,I,C,和发射极电流,I,E,都发生变化，测量结果如下表所示。,2.各电极电流关系及电流放大作用,晶体管电流测量数据,结论:,(1),I,E,=,I,B,+,I,C,，,符合基尔霍夫定律,(2),I,C,I,B,，,I,C,I,E,(3),I,C,I,B,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大,变化的特性称为晶体管的电流放大作用。,实质:,用一个微小电流的变化去控制一个较大电流,的变化，是,CCCS,器件,。,(a)NPN 型晶体管；,电流方向和发射结与集电结的极性,(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。,(b)PNP 型晶体管,3,.晶体管内部载流子的运动规律,I,E,I,BE,I,CE,I,CBO,发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流,I,E,。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流,I,BE,多数扩散到集电结。,扩散到集电结边缘的电子在电场作用下以漂移进越过集电结，被集电区收集，形成,I,CE,。,集电结反偏，有少子形成的反向电流,I,CBO,。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,3.晶体管内部载流子的运动规律,I,C,=,I,CE,+,I,CBO,I,CE,I,B,=,I,BE,I,CBO,I,BE,I,CE,与,I,BE,之比称为共发射极电流放大倍数,集,射极穿透电流,温度,I,CEO,(常用公式),若,I,B,=0,则,I,C,I,CEO,14.5.3,特性曲线,晶体管特性曲线即晶体管各电极电压与电流的关系曲线，是晶体管内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能,是分析放大电路的依据。,研究特性曲线的目的：,(1),直观地分析管子的工作状态。,(,2),合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路。,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线。,发射极是输入回路、输出回路的公共端。,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,1.,输入特性,特点:非线性,正常工作时发射结电压：,NPN,型硅管,U,BE,(0.6 0.7)V,PNP,型锗管,U,BE,(0.2 0.3)V,3DG100晶体管的,输入特性曲线,死区电压：硅管,0.5V,锗管,0.1V,2.,输出特性,共发射极电路,3DG100晶体管的输出特性曲线,在不同的,I,B,下，可得出不同的曲线，所以晶体管,的,输出特性曲线,是一组曲线。,2.,输出特性,晶体管有三种工作状态，因而,输出特性曲线,分为三个工作区。,3DG100晶体管的输出特性曲线,(1)放大区,发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，,晶体管工作于放大状态。,I,C,=,I,B,具有恒流特性。,对,NPN 型管：,U,BE,约为 0.7V，,U,CE,U,BE,。,2.3,1.5,Q,2,Q,1,大,放,区,(2),截止区,I,B,=0 的曲线以下的区域称为截止区。,I,B,=0 时,I,C,=,I,CEO,(很小),发射结和集电结均处于反向偏置,。,若忽略,I,CEO：,I,C,0,U,CE,U,CC,对于硅管,I,CEO,E,1,通过光电二极,管可将光信号,转换成电信号,14.6.3 光电晶体管,光电晶体管用入射光照度,E,的强弱来控制集电极电流。,当无光照时,集电极电流,I,CEO,很小,称为暗电流。当有光照时,集电极电流称为光电流，一般约为零点几毫安到几毫安。,常用的光电晶体管有3AU、3DU等系列。,(b)输出特性曲线,(a)符号,C,E,光电晶体管在一般的检测电能和光电转换中作为转换元件。,
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