电工技术电子技术-清华-17半导体器件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电工技术,*,海南风光,第17讲,10.1半导体的基础知识，P型硅，N型硅,10.2 PN结及半导体二极管,10.3 稳压二极管,10.4 半导体三极管,第10章 半导体器件,9/27/2026,电工技术,10.1.1 本征半导体,当代电子学中，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。,Si,硅原子,Ge,锗原子,10.1 半导体的基本知识,9/27/2026,电工技术,通过一定的工艺过程，能够将半导体制成晶体。,完全纯净的、构造完整的半导体晶体，称为本征半导体。,在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成,共价键,，共用一对价电子。,9/27/2026,电工技术,硅和锗的共价键构造,共价键共,用电子对,+4,+4,+4,+4,+4表达除去价电子后的原子,9/27/2026,电工技术,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子极少，因此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是八个，构成稳定构造。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,+4,+4,+4,+4,9/27/2026,电工技术,10.1.2杂质半导体,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明显变化。,其因素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,N型半导体（重要载流子为电子，电子半导体）,P型半导体（重要载流子为空穴，空穴半导体）,9/27/2026,电工技术,N型半导体,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，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必然多出一种电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一种电子，称为施主原子。,硅或锗+少量磷,N型半导体,9/27/2026,电工技术,N型半导体,多出电子,磷原子,硅原子,+,N,型硅表示,Si,P,Si,Si,9/27/2026,电工技术,P型半导体,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个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一种空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来弥补，使得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，因此称为受主原子。,硅或锗+少量硼,P型半导体,9/27/2026,电工技术,空穴,P型半导体,硼原子,P,型硅表示,Si,Si,Si,B,硅原子,空穴被认为带一种单位的正电荷，并且能够移动,9/27/2026,电工技术,杂质半导体的示意表达法,P型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N型半导体,9/27/2026,电工技术,10.2.1 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，通过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,10.2 PN结及半导体二极管,9/27/2026,电工技术,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,漂移运动,空间电荷区,PN,结处载流子的运动,9/27/2026,电工技术,扩散的成果是使空间电荷区逐步加宽，空间电荷区越宽。,漂移运动,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,PN,结处载流子的运动,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,9/27/2026,电工技术,漂移运动,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,PN,结处载流子的运动,因此扩散和漂移这一对相反的运动最后达成平衡，相称于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,9/27/2026,电工技术,10.2.2 PN结的单向导电性,PN结,加上正向电压,、,正向偏置,的意思都是：P区加正、N区加负电压。,PN结,加上反向电压,、,反向偏置,的意思都是：P区加负、N区加正电压。,9/27/2026,电工技术,PN结正向偏置,+,+,+,+,内电场削弱，使扩散加强，,扩散飘移，正向电流大,空间电荷区变薄,P,N,+,_,正向电流,9/27/2026,电工技术,PN结反向偏置,+,+,+,+,空间电荷区变厚,N,P,+,_,+,+,+,+,内电场加强，使扩散停止，,有少量飘移，反向电流很小,反向饱和电流,很小，A,级,9/27/2026,电工技术,10.2.3 半导体二极管,(1)、基本构造,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,P,N,P,N,符号,阳极,阴极,9/27/2026,电工技术,(2)、伏安特性,U,I,导通压降:硅管,0.60.7V,锗管,0.20.3V。,反向击穿电压,U,(BR),死区电压 硅管,0.5V,锗管,0.2V。,U,I,E,+,-,反向漏电流,（很小，,A,级）,9/27/2026,电工技术,（3）静态电阻Rd，动态电阻 r,D,U,Q,I,Q,U,S,+,-,R,静态工作点Q（U,Q，,I,Q,）,9/27/2026,电工技术,（3）静态电阻Rd，动态电阻 r,D,i,u,I,Q,U,Q,Q,I,Q,U,Q,静态电阻：Rd=U,Q,/I,Q,（非线性）,动态电阻：,r,D=,U,Q,/,I,Q,在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为,微变等效电阻,9/27/2026,电工技术,例1：二极管：死区电压=0.5V，正向压降,0.7V(硅二极管),抱负二极管：死区电压=0，正向压降=0,R,L,u,i,u,O,u,i,u,o,t,t,二极管半波整流,9/27/2026,电工技术,例2：二极管的应用,R,R,L,u,i,u,R,u,o,t,t,t,u,i,u,R,u,o,9/27/2026,电工技术,10.3,稳压二极管,I,Zmax,+,-,稳压二极管符号,U,I,U,Z,I,Z,稳压二极管特性曲线,I,Zmin,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流I,Z,在I,zmax,和,I,zmin,之间时,其两端电压近似为常数,正向同二极管,稳定电流,稳定电压,9/27/2026,电工技术,例：稳压二极管的应用,R,L,u,i,u,O,R,D,Z,i,i,z,i,L,U,Z,稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200 。若负载电阻变化范畴为1.5 k 4 k，与否还能稳压？,9/27/2026,电工技术,R,L,u,i,u,O,R,D,Z,i,i,z,i,L,U,Z,U,ZW,=10V,u,i,=12V,R=200,I,zmax,=12mA,I,zmin,=2mA,R,L,=2k,(1.5,k,4,k,),i,L,=u,o,/R,L,=U,Z,/R,L,=10/2=5（mA）,i=（,u,i,-,U,Z,）/R=（12-10）/0.2=10（mA）,i,Z,=i-i,L,=10-5=5（mA）,R,L,=,1.5,k,i,L,=10/1.5=6.7（mA）,i,Z,=10-6.7=3.3（mA）,R,L,=,4,k,i,L,=10/4=2.5（mA）,i,Z,=10-2.5=7.5（mA）,负载变化,但,i,Z,仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用,9/27/2026,电工技术,10.4,半导体三极管,10.4.1 基本构造,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,NPN型,P,N,P,集电极,基极,发射极,B,C,E,PNP型,9/27/2026,电工技术,B,E,C,NPN,型三极管,B,E,C,PNP,型三极管,三,极管符号,N,P,N,C,B,E,P,N,P,C,B,E,9/27/2026,电工技术,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺,杂浓度较高,9/27/2026,电工技术,发射结,集电结,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,+,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _,+,9/27/2026,电工技术,10.4.2 电流放大原理,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,c,发射结正偏，发射区电子不停向基区扩散，形成发射极电流IE。,I,E,1,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流I,B,，多数扩散到集电结。,I,B,9/27/2026,电工技术,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,c,I,E,从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成I,C,。,I,C,2,I,C,I,B,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,9/27/2026,电工技术,静态电流放大倍数,静态电流放大倍数，动态电流放大倍数,=I,C,/,I,B,I,C,=,I,B,动态电流放大倍数,I,B,：I,B,+,I,B,I,C,：I,C,+,I,C,=,I,C,/,I,B,一般认为：,=，近似为一常数，,值范围：20100,I,C,=,I,B,9/27/2026,电工技术,10.4.3 特性曲线,I,C,mA,A,V,V,U,CE,U,BE,R,B,I,B,U,SC,U,SB,实验线路(共发射极接法),C,B,E,R,C,9/27/2026,电工技术,I,B,与U,BE,的关系曲线（同二极管）,（1）输入特性,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,U,CE,1V,死区电压，硅管0.5V,工作压降：硅管U,BE,0.7V,9/27/2026,电工技术,（2）输出特性(I,C,与U,CE,的关系曲线),I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,40,A,60,A,Q,Q,=I,C,/,I,B,=2,mA,/40,A=50,=,I,C,/,I,B,=(3-2)mA/(60-40),A=50,=I,C,/,I,B,=3,mA,/60,A=50,9/27/2026,电工技术,输出特性,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,当UCE不不大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且 IC=IB。此区域称为线性放大区。,此区域中U,CE,U,BE,集电结正偏，I,B,I,C，,U,CE,0.3V称为饱和区。,此区域中:I,B,=0,I,C,=I,CEO,U,BE,I,C，,U,CE,0.3V,(3)截止区,U,BE,死区电压，I,B,=0，I,C,=I,CEO,0,9/27/2026,电工技术,例：,=50，,U,SC,=12V，,R,B,=70k，,R,C,=6k,当,U,SB,=-2V，2V，5V时，,晶体管的静态工作点Q位,于哪个区？,U,SB,=-2V，,I,B,=0，I,C,=,0，,Q位于截止区,U,SB,=2V，,I,B,=(U,SB,-U,BE,)/R,B,=(2-0.7)/70=0.019 mA,I,C,=,I,B,=50,0.019=0.95,mA ICS=2 mA，Q位于饱和区(事实上，此时IC和IB 已不是的关系）,9/27/2026,电工技术,三极管的技术数据：（自学）,（1）电流放大倍数,（2）集-射间穿透电流I,CEO,（3）集-射间反向击穿电压,U,CEO(BR),（4）集电极最大电流I,CM,（5）集电极最大允许功耗P,CM,9/27/2026,电工技术,本课重点,（1）二极管的特性曲线，静态电阻，,动态电阻。,（2）稳压二极管的特性曲线及稳压计算。,（3）晶体管的特性曲线，三个工作区域，,电流放大倍数。,9/27/2026,电工技术,