14半导体元件共11页文档

§14 半导体元件
本章主要讨论半导体的导电特性，半导体二级管、稳压管、三极管以及光电元件。

14.1 半导体的导电特性
半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。

如硅、锗、大多数金属氧化物。

半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性。

一、本征半导体
完全纯净的半导体。

通过特殊工艺，可形成晶体结构。

以四价元素硅为例。

本征激发产生自由电子-空穴对。

加上电压后，由自由电子和空穴的定向运动形成电流。

故自由电子和空穴统称为载流子。

二、杂质半导体
参入少量杂质的半导体。

1、P型半导体
以四价元素硅参入三价元素硼为例。

参杂后产生负离子-空穴对。

P形半导体中，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。

加上电压后，主要由空穴的定向运动形成电流。

由于负离子带负电，空穴带正电，故不加电压时，P形半导体是不带电的。

2、N型半导体
以四价元素硅参入五价元素磷为例。

参杂后产生正离子-自由电子对。

N形半导体中，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。

加上电压后，主要由自由电子的定向运动形成电流。

由于正离子带正电，自由电子负带电，故不加电压时，N形半导体也不带电。

14.2 半导体二极管
一、PN结
P、N型半导体的交界面或交界点。

加正向电压加反向电压
加正向电压时，多数载流子定向运动，故正向电流很大。

加反向电压时，少数载流子定向运动，故反向电流很小。

即PN结具有单向导电性。

二、半导体二极管
1、结构
PN结加上外壳和电极引线，就构成半导体二极管。

有两种基本结构：点接触型，用于高频小电流；
面接触型，用于低频大电流。

2、图形符号和文字符号
3、单向导电性
4、伏安特性
死区电压：硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。

正向导通电压：硅管0.6～0.7V，锗管0.2～0.3V。

反向击穿电压：随二极管型号不同而异。

5、主要参数
最大整流电流I OM：长期使用时，允许通过的正向电流平均值。

反向工作峰值电压U RWM：常取反向击穿电压的一半或三分之二。

反向峰值电流I RM：加反向工作峰值电压时的反向电流。

越小越好。

例1 电路和输入电压波形如图。

忽略二极管的正向压降，试分别画出u o、u R和u D的波形。

解u o、u R和u D的波形如图。

14.3 稳压二极管
是一种特殊的二极管。

可利用其反向特性实现稳压。

一、图形符号和文字符号
二、伏安特性
三、主要参数
1、稳定电压U Z
正常工作时管子两端的反向电压，即反向击穿电压。

2、稳定电流I Z
反向电压为U Z 时的反向电流。

3、最大允许耗散功率P ZM
不致使管子发生热击穿的最大功耗。

4、最大稳定电流I ZM
不致使管子发生热击穿的最大反向电流。

Z
ZM ZM U P I 5、电压温度系数αU
反映U Z 受温度影响的系数。

例如，2CW18稳压管的温度系数为0.095%C / ,表示温度增加1C ，U Z 升高0.095%。

一般：U Z ﹤6V ，αU ﹤0；U Z ﹥6V ，αU ﹥0；U Z =6V ，αU =0。

6、动态电阻r z
反向击穿区，⊿U Z 与⊿I Z 之比。

即
Z
Z z ΔI ΔU r 越小，稳压性能越好。

例 有两个稳压管D Z1和D Z2，稳定电压分别为5.5V 和
8.5V ，正向压降均为0.5V 。

今要分别获得0.5V 、3V 、6V 、9V 和14V 几种稳定电压，这两个稳压管（还有限流电阻）应如何联结？试画出各个电路。

解
14.4 半导体三极管（晶体管）
一、基本结构和图形符号
1、三个区
发射区（E 区）、集电区（C 区）、基区（B 区） 掺杂浓度不同：E 区浓，C 区次之，B 区浓度最低 几何尺寸不同：E 、C 区厚，B 区薄
2、两个结
发射结（E 结）、集电结（C 结）
3、三个电极
发射极E ，集电极C 、基极B
二、电流分配和放大原理
1、实验观察
改变R B ，可得到不同的I B 、I C 和I E ，如下表：
由上表可得出如下结论：
A ．电流分配满足基尔霍夫电流定律，即
C B E I I I +=
B ．具有电流放大作用
因为I C 跟随I B 变化，且B C I I >>，B C ΔI ΔI >>
C ．I B =0时，I C 很小
D ．具有放大作用的条件是：
发射结正向偏置，集电极反向偏置
2、理论分析
晶体管内部自由电子和空穴的运动规律
A ．I E 的形成
发射区向基区扩散电子，E C 通过发射极提供电子，形成I E 。

B ．I B 的形成
发射区扩散到基区的电子少部分与基区的空穴复合，使E B 通过基极向基区提供空穴（拉走电子），形成I B 。

C ．I C 的形成
发射区扩散到基区的电子大部分进入集电区，E C 则通过集电极收集电子，形成I C 。

D ．放大原理
由于E B 通过基极向基区提供少量空穴，E C 则通过集电极收集大量电子。

故B C I I >>，即具有电流放大作用。

三、特性曲线
有输入特性曲线和输出特性曲线之分。

1、输入特性曲线
U CE =常数，I B 随U BE 变化的曲线。

即
常数==CE )(BE B U U f I
当V 1CE ≥U 时，不同U CE 时的输入特性曲线重合。

故手
册上通常给出的是U CE =2V 时的输出特性曲线。

与二极管伏安特性一样。

死区电压：硅管0.5V ，锗管0.1V 。

导通电压：硅管0.6~0.7V ，锗管0.2~0.3V 。

2、输出特性曲线
I B =常数，I C 与U CE 的关系曲线。

即
常数==B )(CE C I U f I
可分为三个区域
A. 截止区
此时I C ≈0,C 、E 极之间相当于一个断开的开关。

截止条件：发射极反向偏置，集电极反向偏置。

B. 饱和区
在该区域中，由于U CE 太小，I C 不再随I B 的增大而增大。

饱和条件：发射极正向偏置，集电极正向偏置。

C ．放大区
I C 随I B 的增大而增大，且B C I I >>，具有电流放大作用。

放大条件：发射极正向偏置，集电极反向偏置。

四、主要参数
1、电流放大系数ββ、
静态（直流）电流放大系数
B
C I I =β 动态（交流）电流放大系数
B
C ΔI ΔI =β 一般不严格区分，通用β。

2、集-射极反向截止电流I CB0
越小越好。

小功率锗管约几微安到几十
微安。

小功率硅管在1微安以下。

3、穿透电流I CE0
越小越好。

与I CB0的关系为
CB0
CB0CB0CE0)1(I I I I ββ+=+= 4、极限参数
A ．集电极最大允许电流I CM
超过此值，β值将严重下降。

通常把β值下降到正常值的2/3时的集电极电流定为I CM 。

B ．集-射极击穿电压U (BR)CE0
基极开路时，加在C 、E 极的最大允许电压。

C ．集电结最大耗散功率P CM
超过此值，会使结温太高，从而使晶体管参数变化。

极限参数确定晶体管的安全工作区。

例1 在图示电路中，已知
U CC =12V ，V I =3V ，晶体管的β=50，
U BE =0.6V 。

试判断R B 分别为24k Ω和
5.1 k Ω时，晶体管工作于什么状态。

解 集电极饱和电流为
mA 0.62
12C CC sat C ==≈⋅R U I 所需的基极电流为
mA 12.050
0.6sat C B ==='⋅βI I ⑴当R B =24k Ω时
B B BE I B mA 1.024
6.03I R U V I '<=-=-= 故晶体管工作于放大状态。

⑵当R B =5.1k Ω时
B B BE I B mA 47.01
.56.03I R U V I '>=-=-= 故晶体管工作于饱和状态。

例2 测得某电子电路三个三极管的各极电位如图(a)、(b)、(c)所示。

试判断分别工作于什么状态。

解可根据发射结和集电极是正偏还是反偏进行判断。

在图(a)中，发射结和集电极均为正偏，故该管工作于饱和状态。

在图(b)中，发射结和集电极均为反偏，故该管工作于截止状态。

在图(b)中，发射结正偏，集电极反偏，故该管工作于放大状态。