04 第四章 常用半导体器件.pptx

第1页：常用半导体器件

Chapter 4常用半导体器件

第2页：本章主要内容

• 主要内容
• 半导体的基本知识与PN结
• 半导体二极管
• 双极型三极管

第3页：对于元器件

对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。

学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，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。

器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。学习要求：

第4页：物质分类导体

物质分类导体：各种金属绝缘体：橡胶、陶瓷、塑料等本征半导体杂质半导体4.1半导体的基本知识与PN结4.1.1半导体的基本知识半导体

第5页：具有晶体结构的半导体

纯净的、具有晶体结构的半导体。1.本征半导体将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。2 8 4+14Si2 818 4+32Ge4个价电子晶体结构+4惯性核+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键

第6页：本征激发载流子

本征激发载流子：自由电子和空穴。因热运动产生自由电子空穴对的现象。本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很低。

如果在其中参入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强，且其导电性能由杂质的类型和掺杂的数量支配，而不再取决于温度。半导体的基本知识与PN结半导体导电机理：自由电子和空穴两种载流子共同参与导电。

第7页：2.杂质半导体N型半导体在本征半导体

2.杂质半导体N型半导体在本征半导体中掺入5价原子如砷（As）、磷（P）P型半导体在本征半导体中掺入3价原子如硼（B）、镓（Ga）+4+4+4+4+4+4+4+5+5+4+4+4+4+4+4+4+3+3半导体的基本知识与PN结电离产生自由电子多余空穴多数载流子：自由电子少数载流子：空穴多数载流子：空穴少数载流子：自由电子

第8页：结的形成在一块完整的

4.1.2PN结1. PN结的形成在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体。在两种半导体交界面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。

浓度差→多子的扩散运动→空间电荷区→内电场促使少子漂移阻止多子扩散动态平衡→PN结

第9页：PN结加正向电压时

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。2 . PN结的单向导电性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。结论：PN结具有单向导电性。

第10页：4.2半导体二极4.2.1电路符号与基本

4.2半导体二极4.2.1电路符号与基本结构将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。+−iDuD电路符号阳极A阴极KPN

第11页：3.平面型二极管2.面接触型二极管

3.平面型二极管2.面接触型二极管1.点接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频路。用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路。

第12页：半导体二极管：死区电压硅管

604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/ mAU/ V当加正向电压时,死区电压硅管：0.5V，锗管：0.1V。

正向导通区时电压基本恒定，其导通电压UF为：硅管：0.7V(0.6 ~ 0.7V)，锗管：0.3V(0.2 ~ 0.3V)。1.正向特性4.2.2二极管伏安特性正向导通区死区

第13页：当反向电压增大至U(BR)时

当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。二极管失去单向导电性。

3.反向击穿特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/ mAU/ V2.反向特性小功率硅管：＜1μA小功率锗管：10~100μA当u＜0时，电流很小，几乎为零。

击穿电压U(BR)半导体二极管及其应用电路反向特性反向击穿

第14页：4.2.3主要参数2.最高反向工作电压U

4.2.3主要参数2.最高反向工作电压UDRM保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。1.最大整流电流IFM二极管长时间使用时允许流过的最大正向平均电流。

3.最大反向电流IRM二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。半导体二极管及其应用电路用于描述二极管的导电特性，是选择和使用二极管的依据。

第15页：4.2.4二极管的电路模型二极管是一种非

4.2.4二极管的电路模型二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的模型分析法。oiDuD+−iDuD二极管导通后，硅管：uD＝0.7V，锗管：uD＝0.3V。相当于一理想开关。

2.恒压降模型1.理想模型半导体二极管及其应用电路+−iDuD

第16页：4.2.5二极管应用电路在电子技术中二极

4.2.5二极管应用电路在电子技术中二极管电路得到广泛应用。基本电路有限幅电路、整流电路、钳位电路、开关电路等。1.整流电路当us>0，D导通，uo=us；当us<0，D截止，uo= 0。半波整流电路

第17页：2.限幅电路二极管

2.限幅电路二极管D1、D2用恒压源模型，UON=0.7V。当uS>UON时，D1导通，D2截止，uo=0.7V；当uS< −UON时，D2导通，D1截止，uo=−0.7V；

当|uS| <UON时，D1、D2均截止，uo=us。输出电压被限幅在±0.7V，称双向限幅电路。

第18页：3.判断二极管在电路中的工作状态（

• 3.判断二极管在电路中的工作状态
• 假设二极管断开，计算二极管阳极和阴极之间的电压U。
• 若U>UF(导通电压），该二极管导通。若U<UF(导通电压），该二极管截止。
• 若电路中含有多个二极管，则在导通二极管中正向偏置U最大的优先导通，导通后其等效于导线（理想模型）或电压值为UF的理想电压源（恒压降模型）。
• 重复上述步骤判断其余二极管。

第19页：例4.1 半导体二极管

例4.1已知：锗二极管UA= +3V，UB= 0V。求：输出端电位UO。∵UA＞UB，∴D1优先导通。设二极管的正向压降是0.3V，则UO= + 2.7V。当D1导通后, D2因反偏而截止。

D1起钳位作用，将输出端电位钳制在+ 2.7 V。解：

第20页：4.2.6特殊二极管一种特殊的面接触型半

4.2.6特殊二极管一种特殊的面接触型半导体硅二极管，工作于反向击穿区。I/mAOUZIZIZM+−正向−+反向ΔUZΔIZU/V1.稳压管稳压管反向击穿后，电流虽在很大范围内变化，但其两端的电压变化很小。——稳压特性

第21页：稳压管的主要参数

稳压管的主要参数：1.稳定电压UZ4.稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。3.动态电阻rZ2.电压温度系数αU（%/℃）5.最大允许耗散功率PZM稳压值受温度变化影响的的系数。

第22页：电阻的作用

• 电阻的作用
• 起限流作用，以保护稳压管；
• 当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。

第23页：稳压条件是什么

稳压条件是什么？IZmin≤IZ≤IZmax不加R可以吗？半导体二极管及其应用电路IZ<IZM，电阻值合适。解：稳压管电流IZ＝？限流电阻R的值是否合适？例4.2

第24页：2.发光二极管ak当电流流过时

2.发光二极管ak当电流流过时，发光二极管发光。光的颜色由二极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几mA至几十mA之间。

另一重要作用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号。发光二极管的符号

第25页：半导体二极管：光电二极管

3.光电二极管akakipup+−（a）光电二极管的符号（b）光电二极管的等效电路光电二极管可将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与照度成正比。

第26页：4.3双极型三极管三极管的结构与符号电流

4.3双极型三极管三极管的结构与符号电流分配与放大作用三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的其它形式

第27页：1.三极管的结构与符号半导体三极管简

1.三极管的结构与符号半导体三极管简称三极管或晶体管，是由2个PN结构成的，其基本功能：具有电流放大作用。二氧化硅保护膜铟球铟球三极管及其放大电路BECN型硅P型硅N型硅(a)平面型(b)合金型ECBPPN型锗

第28页：按结构可分

按结构可分为：NPN型和PNP型。集电极，用C表示集电区，掺杂浓度低基极，用B表示基区，薄发射区，掺杂浓度高发射结集电结，面积比发射结大发射极，用E表示

第29页：发射极的箭头代表发射极电流的实际方向

发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。NPN型与PNP型三极管的工作原理相似，只是使用时所加电源的极性不同。

第30页：用实验说明三极管的电流分配与放大作用

用实验说明三极管的电流分配与放大作用实验电路采用共发射极接法，NPN型管。为了使三极管具有放大作用，电源EB和EC的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。

改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，2.电流分配与放大作用

第31页：双极型三极管：三极管电流测量数据结

• 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IB/mA< 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IC/mA< 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05IE/mA三极管电流测量数据结论
• 符合KCL，且IC≈IE
• 有电流放大作用。三极管及其放大电路电流放大系数

第32页：NPN型三极管应满足

NPN型三极管应满足:UBE> 0UBC<0即UC>UB>UEPNP型三极管应满足:UEB> 0UCB<0即UC<UB<UE三极管实现放大的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压。

第33页：例4.3 双极型三极管

• 例4.3工作于放大状态的4个三极管的各管脚对“地”电位如图所示。试判断各三极管的类型（是NPN型还是PNP型，是硅管还是锗管），并确定e、b、c三个电极。（a）3V3.7V8V
• −3V2V2.3V
• （b）−5V−0.6V0V
• （c）−0.8V6V−1V
• （d）

第34页：双极型三极管

• （a）3V3.7V8V
• −3V2V2.3V
• （b）−5V−0.6V0V
• （c）−0.8V6V−1V
• （d）（a）NPN型硅管
• -发射极
• -基极
• -集电极（b）PNP型锗管
• -集电极
• -基极
• -发射极（c）PNP型硅管
• -集电极
• -基极
• -发射极（d）NPN型锗管
• -基极
• -集电极
• -发射极

第35页：工作于放大状态的三极管

分析：1）工作于放大状态的三极管，发射结应正偏，集电结应反偏，因而NPN型有VC>VB>VE，PNP型有VC<VB<VE。可见基极电位总是居中，据此可确定基极。

2）硅管|VBE|=0.6~0.8V，锗管|VBE|=0.2~0.4V，则与基极电位相差此值的电极为发射极，并可判断是硅管还是锗管。3）余下一电极为集电极。

4）集电极电位为最高的是NPN型管，集电极电位为最低的是PNP型管。

第36页：输入特性曲线三极管的输入特性也有一段

输入特性曲线三极管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生iB。3.三极管的特性曲线三极管及其放大电路++−−iBiCuBEuCE

第37页：输出特性曲线(1)放大区IC＝β

• 输出特性曲线
• 放大区IC＝βIB
• 截止区IB= 0，IC=ICEO(很小)≈0为了使三极管可靠截止，常使UBE≤0。三极管及其放大电路++−−iBiCuBEuCE（发射结正偏，集电结反偏）（发射结反偏，集电结反偏）iC不受uCE控制

第38页：双极型三极管：饱和区当三极管饱和时

三极管及其放大电路(3)饱和区当三极管饱和时，UCE≈0，C-E间如同一个开关的接通；当三极管截止时，IC≈0，C-E之间如同一个开关的断开；可见，三极管除了有放大作用外，还有开关作用。

++−−iBiCuBEuCE（发射结正偏，集电结正偏）uBE= 0.7VuCE<uBE，iC≠βiBuCE≈0

第39页：4.三极管的主要参数1.电流放大系数

4.三极管的主要参数1.电流放大系数直流放大系数交流放大系数在输出特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下,可近似认为三极管的参数是用来表征其性能和适用范围的，也是评价三极管质量以及选择三极管的依据。

QiCuCEΔIBΔICICUCEIB

第40页：极间反向电流1）集-基极间反向饱和电

（2）极间反向电流1）集-基极间反向饱和电流ICBOμA+−ICBOUCC其大小取决于温度和少数载流子的浓度。小功率锗管：ICBO≈10μA，小功率硅管：ICBO≤1μA。

2）集-射极间反向饱和（穿透）电流ICEOμAICEOUCCICEO=（1+β）ICBOICEO大的管子性能不稳定，通常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。当工作环境温度变化范围较大时应选硅管。

第41页：极限参数1）集电极最大允许电流

（3）极限参数1）集电极最大允许电流ICM当β值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM。2）集—射反相击穿电压U(BR)CEO表示三极管电极间承受反向电压的能力。

当UCE>U(BR)CEO时，ICEO↑，管子损坏。

第42页：双极型三极管：集电极最大允许功率损

3）集电极最大允许功率损耗PCMPCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值，集电结会过热烧毁。PCM=iCuCE对大功率管为了提高PCM，通常采用加散热装置的方法。

三极管及其放大电路iCU(BR)CEOuCEPCMoICEO安全工作区ICM

第43页：4.三极管的其它形式（1）复合三极管

4.三极管的其它形式（1）复合三极管β＝β1β2复合管的类型取决于T1管

第44页：光电三极管和光电耦合器将光信号转变

（2）光电三极管和光电耦合器将光信号转变为电流信号，且可将光电流放大β倍。光电三极管光电耦合器实现电-光-电的传输和转换。