第三章：半导体器件基础

1、电电路路与与 电电 子子 技技 术术 主要内容：主要内容：半导体基础知识半导体基础知识半导体二极管半导体二极管晶体三极管晶体三极管第二篇第二篇 模拟电子技术模拟电子技术电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础电子信息系统的组成模拟电子电路模拟电子电路数字电子电路数字电子电路传感器传感器接收器接收器隔离、滤隔离、滤波、放大波、放大运算、转运算、转换、比较换、比较功放功放模拟模拟- -数字混合数字混合电子电路电子电路模拟电子系统模拟电子系统执行机构执行机构电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础第一节第一节 半导体基础知识半导体基础知识一、一、 基本概念基本

2、概念半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体。如硅、锗等。纯净的具有晶体结构的半导体。如硅、锗等。3.1.1 杂质半导体杂质半导体一、一、N 型半导体型半导体 在本征半导体硅或锗中掺入微在本征半导体硅或锗中掺入微量量五价元素五价元素，如磷，如磷( (称为杂质称为杂质) )等，等，可使自由电子的浓度大大增加，自可使自由电子的浓度大大增加，自由电子成为多数载流子，空穴成为由电子成为多数载流子，空穴成为少数载流子，这种少数载流子，这种以电子导电为主以电子导电为主的半导体称为的半导体称为N N型半导体型半导体

3、。+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础二、二、P型半导体型半导体+3+4+4+4+4+4硼硼原子原子空穴空穴 在本征半导体硅或锗中掺在本征半导体硅或锗中掺入微量入微量三价元素三价元素( (如如: :硼硼) )，则，则空穴的浓度大大增加，空穴空穴的浓度大大增加，空穴成为多数载流子，自由电子成为多数载流子，自由电子成为少数载流子，这种成为少数载流子，这种以空以空穴导电为主的半导体称为穴导电为主的半导体称为P P型型半导体半导体。空穴数空穴数 电子数电子数空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数3.

4、1.2 PN结的形成及单向导电性结的形成及单向导电性PNPN结结：P P型半导体和型半导体和N N型交界处所形成的结。型交界处所形成的结。内电场内电场P区区N区区电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础3.1.2 PN结的单向导电性结的单向导电性1. 外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置) forward biasP区区N区区内电场内电场+ UR外电场外电场外电场与内电场方向相反，削弱外电场与内电场方向相反，削弱内电场内电场使空间电荷区变窄使空间电荷区变窄 IFIF I多子多子限流电阻限流电阻2. 外加外加反向反向电压（反向偏置电压（反向偏置) reverse bia

5、s +UR内电场内电场外电场外电场外电场与内电场方向相同使内外电场与内电场方向相同使内电场增强，电场增强， 空间电荷区变宽空间电荷区变宽IRIR = I少子少子 0PN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流IF漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流IRP区区N区区电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础第二节第二节 半导体二极管（半导体二极管（Semiconductor Diode)3.2.1 二

6、极管的结构和符号二极管的结构和符号构成：构成：PN结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管 (Diode)符号：符号：A(阳极阳极)K(阴极阴极)文字符号：文字符号：分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础3.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、一、PN结的伏安特性方程结的伏安特性方程即常温下即常温下: UT = 26 mV) 1e (/STUuIi反向饱和反向饱和电流电流 IR温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 玻尔兹曼常数玻尔兹曼

7、常数电子电量电子电量当当T = 300（27 C）分析：分析：i = 0 0当正偏当正偏（u 0 0）时时 i ISeu/UTi 随随u 按指数规律变化按指数规律变化当反偏当反偏（u 0 0）时时i -ISi 与与u 无关无关当当 u = 0 0时时电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础二、二极管的伏安特性曲线二、二极管的伏安特性曲线OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uon开启开启电压电压iD = 0Uon = 0.5 V 0.2 V(硅管硅管)(锗管锗管)uD Uon时时D导通导通 iD 急剧上升急剧上升1. 正向特性正向特性0 uD Uon时时 UF = 0.6

8、 0.8 V硅管硅管0.7 V0.1 0.3 V锗管锗管0.2 V反向特性反向特性ISU (BR)反向击穿反向击穿2. 反向特性反向特性 uD U（BR） iD = -IS (反向饱和电流反向饱和电流) 0.1 A(硅硅) 几十几十 A (锗锗) 3. 3.反向击穿特性反向击穿特性 uD U（BR）反向电流急剧增大反向电流急剧增大 (反向击穿反向击穿)导通导通电压电压电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础三、三、 温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响T 升高时，升高时，UF减小，减小，IR增大增大UF 以以 2 2.5 mV/ C减小减小 IR 以以2 IR /

9、10 C 增大增大604020 0.02O 0.42550iD / mAuD / V20 C90 C 例例11 如图所示整流电路中，二极管如图所示整流电路中，二极管D D为理想二极管，已知输为理想二极管，已知输入电压入电压u ui i为正弦波，试画出输出电压波形。为正弦波，试画出输出电压波形。例1题图电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础3.2.3 特殊二极管特殊二极管1、伏安特性、伏安特性iZ /mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ符号符号特性特性工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿2、使用稳压管的注意事项、使用稳压管的注意事项（2）稳压管工作

10、时的电流应在稳压管工作时的电流应在IZ和和IZM之间。之间。 电路中必须电路中必须串接限流电阻串接限流电阻。（3）稳压管可以稳压管可以串联使用串联使用，串联后的稳压值为各管稳压值，串联后的稳压值为各管稳压值之和，但之和，但不能并联使用不能并联使用，以免因稳压管值的差异造成各，以免因稳压管值的差异造成各管电流分配不均匀，引起管子过载损坏。管电流分配不均匀，引起管子过载损坏。（1）稳压管必须工作在稳压管必须工作在反向偏置反向偏置(利用正向特性稳压除外利用正向特性稳压除外);一、稳压二极管一、稳压二极管 例例：两个硅稳压管两个硅稳压管（8V和和7.5V）相串联）相串联能得到几组值？能得到几组值？答案

11、答案：四组：四组 1.4V 8.2V 8.7V 15.5V 电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础二、发光二极管二、发光二极管 LED(Light Emitting Diode)1. 符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正偏正偏一般工作电流几十一般工作电流几十mA， 导通电压导通电压1 2V符号符号u /Vi /mAO2特性特性2. 主要用途主要用途发光、电光转换、构成光电耦合器件发光、电光转换、构成光电耦合器件三、光敏二极管（光电二极管）三、光敏二极管（光电二极管）1符号和特性符号和特性符号符号工作条件：工作条件：反反偏偏2. 主要用途主要用途: 光电转换光电转换5

12、.2.4 半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数 (自学自学)电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础(Bipolar Junction Transistor)3.3.1 三极管的结构三极管的结构一、结构与符号一、结构与符号NNP发射极发射极E基极基极B集电极集电极C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN型型ECBPPNEBCECBPNP型型二、分类：二、分类：按材料分：按材料分：硅管、锗管硅管、锗管按结构分：按结构分：NPN、PNP按使用频率分按使用频率分高频管高频管低频管低频管按功率分按功率分小

13、功率管小功率管 1 W电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础3.3.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理一、一、 BJT处于放大状态的工作条件处于放大状态的工作条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏1. 满足放大条件的三种电路满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极重点：重点：共发射极电路共发射极电路以以BJT的的基极基极作为信号的作为信号的输入端输入端，集电极集

14、电极作为作为输输出端出端，发射极发射极作为输入和输出回路的作为输入和输出回路的公共端公共端。NPN： UCUBUEPNP：UCUBUE电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础二、二、 BJT的电流分配关系的电流分配关系BCEIII BC II BE )1(II 由此可看出由此可看出ICIB，所以所以BJT是一种是一种电流型电流型控制器件。控制器件。3.3.3 BJT的共射特性曲线的共射特性曲线一、输入特性一、输入特性常数常数 CEBEB)(uufi0CE u与二极管特性相似与二极管特性相似BEuBiO0CE uV1CE u0CE uV1CE u特性基本重合特性基本重合特性右

15、移特性右移导通电压导通电压 UBE（on）Si 管管: 0.6 0.7 VGe管管: 0.1 0.3 V取取 0.7 V取取 0.2 V正常工作时正常工作时Si管约管约0.5V，Ge管约管约0.2V输入输入回路回路输出输出回路回路RCVCCiBIERB+uBE +uCE VBBCEBiC+ + + 电电路路与与 电电 子子 技技 术术 第3章 半导体器件基础二、输出特性二、输出特性常数常数 BCEC)(iufi在不同的在不同的 i B 值下，值下，输出特性曲线是输出特性曲线是一族曲线一族曲线。 1. 当当UCE从零增大，从零增大，iC直线上升直线上升iC / mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB =0O 2 4 6 8 4321ICIB2. 当当UCE1V后后，iC基本保持定值基本保持定值已知工作在放大状态的三已知工作在放大状态的三极管各脚电位极管各脚电位: U1 = -4V、 U2 = -1.2V、U3 = -1.4 V判断该三极管的类型、判断该三极管的类型、材料及电极材料及电极因为因为U1 U3 IBS时三极管饱和时三极管饱和uBE U(BR)CEO U(BR)