1、(1-1)电子技术电子技术 第十五章 半导体二极管和三极管模拟电路部分模拟电路部分(1-2)第十五章第十五章 半导体器件半导体器件 15.1 半导体的导半导体的导电特性电特性 15.2 PN 结结 15.3 半导体二极管半导体二极管 15.4 稳压二极管稳压二极管 15.5 半导体三极管半导体三极管(1-3)15.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、
2、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。15.1 半导体的导电特性半导体的导电特性(1-4)半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变
3、。它的导电能力明显改变。(1-5)15.1.2 本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi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。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，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。的最外层电子（价电子）都是四个。(1-6)本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四
4、面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：(1-7)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表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子(1-8)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所
5、以，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。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。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+4(1-9)二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它
6、的导电能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴(1-10)+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子(1-11)2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的
7、迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。(1-12)温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电
8、流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。(1-13)15.1.3 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。其原因是掺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流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂
9、质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。(1-14)一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷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（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，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，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
10、电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。(1-15)+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴
11、称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。(1-16)二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼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（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，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子
12、，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。(1-17)三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。(1-18)15.2.1 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
13、半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。15.2 PN结结(1-19)P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动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，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。(1-20)漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一
14、对相反的运动最终达到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。(1-21)+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0(1-22)1.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴中的空穴. .N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），），数量有限，因此由它们形
15、成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意: :(1-23)15.2.2 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是的意思都是： P 区区加正、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是：的意思都是： P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。(1-24)+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。(1-25)二、二、PN 结反
16、向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE(1-26)15.3.1 15.3.1 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。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号：二极管的电路符号：15.3 半导体二极管半导体二极管(1-27) 15.3.2 15.3.2 伏安特性伏安特性UI死区电压
17、死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR(1-28)ODOD段段称为正向特性。称为正向特性。OCOC段段，正向电压较小，正向电压较小，正向电流非常小，只有当正向电流非常小，只有当正向电压超过某一数值时，正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这才有明显的正向电流，这个电压称为死区电压，亦个电压称为死区电压，亦称开启电压。称开启电压。CDCD段段，当正向电压大于死区电压后，正向电流近似当正向电压大于死区电压后，正向电流近似以指数规律迅速增长，二极管呈现充分导通状态。以指数规律迅速增长，
18、二极管呈现充分导通状态。正向导通正向导通ADCBiDuDOUBR(1-29)OBOB段称为反向特性。段称为反向特性。这时二极这时二极管加反向电压，反向电流很小管加反向电压，反向电流很小。当温度升高时，半导体中本征激发当温度升高时，半导体中本征激发增加，是少数载流子增多，故反向增加，是少数载流子增多，故反向电流增大，特性曲线向下降。电流增大，特性曲线向下降。 反向击穿反向击穿BABA段称为反向击穿特性段称为反向击穿特性当二极管外加反向电压大于一定数值时，反向电流当二极管外加反向电压大于一定数值时，反向电流突然剧增，称为二极管反向击穿。突然剧增，称为二极管反向击穿。反向截止反向截止ADCBiDuD
19、OUBR(1-30)iDouD20406080100(mA)(v)-40-80-0.1-0.20.40.8iDouD-200-10020406080100-10-30-207520(mA)(v)(A)12 材料材料开启电压（开启电压（V）导通电压（导通电压（V）反向饱和电流（反向饱和电流（A）硅（硅（Si） 0.5 0.5 0.61 0.1 IC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。(1-59)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止区：截止区：
20、UBE 死区电压，死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 (1-61)例例15.6： =50， USC =12V， RB =70kW W， RC =6kW W 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？当当USB =-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEmA2612maxCSCCRUIIB=0 ， IC=0IC最大饱和电流：最大饱和电流：Q位于截止区位于截止区 (1-62)IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB =2V时：时：9mA
21、01070702.RUUIBBESBB0.95mA9mA01050.IIBC例例15.6： =50， USC =12V， RB =70kW W， RC =6kW W 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？(1-63)USB =5V时时:ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系。倍的关系。mA061070705.RUUIBBESBBcmaxBII5mA0 . 3mA061. 050mA2cmaxcII例例15.6： =50， USC =12V， RB
22、=70kW W， RC =6kW W 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？(1-64)例例15.7：用万用表直流电压档测得电路中三极管：用万用表直流电压档测得电路中三极管各电极的对地电位如图所示，试判断这些三极管各电极的对地电位如图所示，试判断这些三极管的工作状态。的工作状态。解：解： 放大放大 截止截止 损坏损坏 饱和饱和(1-65)15.5.4 主要参数主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接
23、法。集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：BCII_工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为直流上的交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应的集电极电流变化为相应的集电极电流变化为 IC，则则交流电流放交流电流放大倍数大倍数为：为：BIIC1. 电流放大倍数电流放大倍数和和 _(1-66)例例15.8：UCE=6V时时：IB = 40 A时时 IC =1.5 mA； IB = 60 A时时 IC =2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的
24、计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理： =(1-67)2.集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是集是集电结反偏电结反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向电的反向电流，受温流，受温度的变化度的变化影响。影响。(1-68)BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBEICBO进入进入N区，形成区，形成IBE。根据放大关系，根据放大关系，由于由于IBE的存的存在，必有电流在，必有电流 IBE。集电结反集电结反偏有偏有ICBO3. 集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响受温度影响很大，当温度上很大，
25、当温度上升时，升时，ICEO增加增加很快，所以很快，所以IC也也相应增加。相应增加。三极三极管的温度特性较管的温度特性较差差。(1-69)4.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，值的下降，当当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为流即为ICM。5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一定的数值超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25 C、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best, Failure Is Great, So DonT Give Up, Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
