1、21:42:051电路与模拟电子技术电路与模拟电子技术原理原理第六章半导体元器件21:42:052第6章 半导体元器件p6.1 从电子管到晶体管p6.2 半导体p6.3 半导体二极管 p6.4 晶体管p6.5 场效应晶体管21:42:0536.1 从电子管到晶体管p真空电子二极管n单向导电性：p阴极加热后发射电子，阳极吸收电子p真空电子三极管n放大效应p栅极电压控制从阴极到达阳极电子的数量p电压控制电流21:42:054真空管（电子管）21:42:055第6章 半导体元器件p6.1 从电子管到晶体管p6.2 半导体p6.3 半导体二极管 p6.4 晶体管p6.5 场效应晶体管21:42:056
2、6.2 半导体 p导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，称为半导体。n热敏性测温n光敏性测光n光伏电池n发光光源21:42:0576.2.1 本征半导体p纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。n四价元素p硅p锗21:42:058本征半导体（续）p四价元素构成本征半导体21:42:059本征半导体（续）p带负电的自由电子，和带正电的空穴，统称为载流子。n在受热（热激发）或者光照（光激发）时，共价键中的价电子可能获得一定的能量，少数价电子摆脱共价键的束缚而成为自由电子，n同时在共价键中留下空位，称为空穴21:42:0610本征半导体（续）p“本征”的含义，是指载流子的浓度取决于半导体自身的固有（本征）
3、特征。n在一定温度下，载流子的浓度保持一定 n产生过程与复合过程相对平衡。p本征半导体中的载流子浓度除了与半导体材料自身特性有关以外，还与温度、光照等因素有关。21:42:06116.2.2 杂质半导体p本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，p改进方式掺入杂质p根据掺入杂质性质的不同，nN（Negative）型半导体nP（Positive）型半导体 21:42:06121N型半导体 p本征半导体中掺入微量五价元素，如磷、锑、砷等 n自由电子为多数载流子（多子），n空穴为少数载流子（少子）。21:42:06132P型半导体 p本征半导体中掺入三价元素，如硼、铝、镓等 n空穴为多子n自由电子为
4、少子 21:42:06146.2.3 PN结 pPN结是构成各种半导体器件的核心 p在一块硅片上，一边N型半导体，另一边P型半导体，交界面处形成PN结。21:42:06152PN结的单向导电性p正偏导通，反偏截止21:42:06163PN结的反向击穿特性 p当反向电压超过一定数值时，PN结电阻突然减小、反向电流突然增大，这种现象称为PN结的反向击穿。pPN结的反向击穿有两种类型：n齐纳击穿 n雪崩击穿 p电击穿是可逆的，热击穿不可逆 21:42:06174PN结方程 p流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为 nIS为PN结的反向饱和电流；nUTkT/q，为温度的电压当量或热电压，在T300
5、K（室温）时，UT26mV。T/SS(e1)(e1)u Uqu kTiII 21:42:0618PN结的伏安特性曲线 p温度升高时，n正向特性曲线向左移动，n反向特性曲线向下移动。21:42:06195PN结的电容效应 p当PN结上的外加电压变化时，会引起PN结（即耗尽层）所存储的电荷量的变化，PN结所具有的这种“电压变化引起电荷量变化”的特征，就是PN结的的电容效应。p根据结电容的成因，可分为n势垒电容n扩散电容。21:42:0620第6章 半导体元器件p6.1 从电子管到晶体管p6.2 半导体p6.3 半导体二极管 p6.4 晶体管p6.5 场效应晶体管21:42:06216.3 半导体二
6、极管 p二极管（Diode）的核心特性单向导电性n在一个电流方向上的电阻很小（理想情况是零），n在另一个电流方向上的电阻却很大（理想情况是无穷大）21:42:06226.3.1 基本结构 21:42:06236.2.2 二极管的特性 p1二极管的伏安特性曲线 21:42:0624二极管的伏安特性曲线（续）（1）正向特性n死区电压（也称开启电压）Uth n导通电压Uon（2）反向特性 n反向饱和反向击穿 （3）温度特性 n温度升高，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移 21:42:06252二极管的特性参数（1）最大整流电流IF（2）最大反向工作电压URM（3）反向电流IR（4）最高工作频率f
7、M 21:42:06266.2.3 二极管的应用 p利用二极管的特性：n单向导电性n反向击穿特性p理想二极管：n正向导通时，二极管视为短路，正向电阻为零，正向压降忽略不计；n反向截止时，二极管视为开路，反向电阻为无穷大，反向电流忽略不计。21:42:06271二极管整流（检波）电路 p利用：单向导电性21:42:06282二极管限幅电路 p利用：单向导电性21:42:0629二极管限幅电路（续）p二极管限幅电路实际上就是确保输出电压不能高于电压源US。n由于限幅电路能够将输入信号中超出指定幅度的部分削平，所以也称为削波电路。p换个角度看，也可以说二极管限幅电路实际上是在电压源US和输入电压ui
8、之间选择一个较低的电压作为输出。21:42:06303二极管电平选择电路（逻辑门电路）p利用：单向导电性21:42:0631二极管与门电路p在数字电路中，通常n把高于2.4V的电平当作高电平，记为逻辑1，n把低于0.8V的电平当作低电平，记为逻辑0，n此时6-13（a）所示的电路的输出信号就等于两个输入信号的逻辑“与”，所以该电路又称为二极管与门电路。21:42:06324稳压二极管 p利用：反向击穿特性21:42:0633稳压二极管的主要参数（1）稳定电压UZ（2）最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin n要保证稳压管的反向电压稳定于Uz，必须确保IzminIzIzmax（3
9、）额定功耗PZM n允许的最大功耗PZM=UZ IZmax 21:42:0634稳压管应用举例【例6-1】已知UZ6V，IZmin5mA，PZM150mW，限流电阻R1K，负载电阻RL500。分别计算Ui为15V、30V、45V时输出电压UO的值。21:42:0735稳压管应用举例（续）p【分析】要让稳压管起到稳压作用，必须满足两个条件：n稳压管必须工作在反向击穿状态；n流过稳压管的反向电流必须在IZmin和IZmax之间。【解】（1）根据PZM计算IZmax)mA(256150maxZZMZUPI21:42:0736稳压管应用举例（续）（2）当Ui=15V时，假设DZ开路（稳压管反向截止），
10、计算此时的稳压管两端电压 因为DZ开路时时，所计算得到的稳压管两端电压小于UZ，所以稳压管截止，UO5V。)V(550050010001515LLiVUORRRUUi21:42:0737稳压管应用举例（续）（3）类似地，当Ui=30V时，假设DZ开路，计算此时的稳压管两端电压稳压管已经处于反向击穿状态，满足稳压条件。再假设稳压管工作于稳压状态，并计算此时的稳压管反向电流ZLLiVUOURRRUUi)V(105005001000303021:42:0738稳压管应用举例（续）n计算假定条件下的稳压管反向电流，并判断其是否处于稳压电流范围之内)mA(24)A(024.030RUUIZiVURi)m
11、A(12)A(012.05006LZLRUI)mA(12122430LRVUZIIIimax30minZVUZZIIIi21:42:0739稳压管应用举例（续）n稳压管反向电流处在IZmin和IZmax之间，满足稳压条件，所以稳压管可以正常工作，能起到稳压作用。所以 UOUZ6V 21:42:0740稳压管应用举例（续）（4）类似地，当Ui=45V时，假设DZ开路，计算此时的稳压管两端电压 n稳压管已经处于反向击穿状态，满足稳压条件。n再假设稳压管工作，计算此时的稳压管反向电流 ZLLiVUOURRRUUi)V(155005001000454521:42:0741稳压管应用举例（续）IZIR-
12、IL39-12=27(mA)IZmax n稳压管反向电流超过IZmax，将因功耗过大而损坏，电路不能正常工作。)mA(39)A(039.0100064545RUUIZiVURi)mA(12)A(012.0500645LZVULRUIi21:42:07425发光二极管 p发光二极管（LED）n正向偏置时，二极管导通，N区的自由电子、P区的空穴均流向PN结，二者在PN结内复合，并释放光子和声子。二极管发光。n反向偏置时，二极管不发光。21:42:07436光电二极管 p光电二极管（photodiode）又称光敏二极管可构成太阳能电池（有光照而无外加电压）。在有光照而有外加电压时，可作为光检测器件使用时，光电二极管必须反向偏置。
