第7章半导体器件基础

1、第七章第七章 半导体器件基础半导体器件基础 内容提要内容提要半导体器件是电子电路的核心器件。半导体器件是电子电路的核心器件。本章首先介绍本章首先介绍了半导体的基本知识，然后讲述了两种常用半导体了半导体的基本知识，然后讲述了两种常用半导体器件（半导体二极管和半导体三极管）的工作原理器件（半导体二极管和半导体三极管）的工作原理和基本特性。本着和基本特性。本着“管为路用管为路用”的原则，在了解其的原则，在了解其基本原理的基础上，基本原理的基础上，重点掌握它们的应用重点掌握它们的应用。7.1 半导体的基础知识半导体的基础知识导体：导体：金属一般都是导体。金属一般都是导体。绝缘体（电介质）：绝缘体（电介

2、质）：如橡胶、塑料和陶瓷等。如橡胶、塑料和陶瓷等。半导体：半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间，导电特性介于导体和绝缘体之间， 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。氧化物等。物体物体7.1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性一、半导体的主要特征一、半导体的主要特征二、二、 本征半导体本征半导体纯净的半导体称为本征半导体。纯净的半导体称为本征半导体。1、内部结构、内部结构+4价价元素，最外层轨道四元素，最外层轨道四个价电子。共价键形式存个价电子。共价键形式存在。在。T=-2730C(绝对零度绝对零度) 相当于绝缘体相当于绝缘体2、导电机理、导电机理T升高，共

3、价键中的价电子由于热运动而获得升高，共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量，少数摆脱共价键的束缚成为自一定的能量，少数摆脱共价键的束缚成为自由电子，即由电子，即电子载流子电子载流子（带负电），同时在（带负电），同时在共价键中留下空位，称为共价键中留下空位，称为空穴载流子空穴载流子，这种这种现象称为现象称为本征激发。本征激发。即：空穴即：空穴 自由电子自由电子 成对出现成对出现 + -电子电子-空穴对的形成空穴对的形成半导体中有两种载流子半导体中有两种载流子: :自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴在外电场作用下，电子的定向移动形成电流在外电场作用下，电子的定向移动形成电流+

4、 + + + + + + + +- - - - - - - - -外电场外电场在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流+ + + + + + + + +- - - - - - - - -外电场外电场注意：注意： 在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；价电子也按一定方向依次填补填补空穴，即空穴产生了定向移动，形成所谓空穴电流。自由电子和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失，这种现象称为复合复合。可见：半导体：自由电子和空穴两种载流子自由电子和空穴两种载流子 导体：只有自由电子这一种载流子3.由于热激发可产生电子和空穴，因此本征半导由于热激发可产

5、生电子和空穴，因此本征半导体的导电特性和温度有关，对温度很敏感。体的导电特性和温度有关，对温度很敏感。1.本征半导体中载流子为电子和空穴本征半导体中载流子为电子和空穴;2.电子和空穴成对出现，浓度相等；电子和空穴成对出现，浓度相等；三、三、 杂质半导体杂质半导体1、N型半导体型半导体 在纯净的硅晶体在纯净的硅晶体中掺入五价元素中掺入五价元素（如磷），就形成（如磷），就形成了了N型半导体。型半导体。 掺入的磷越多自由电子掺入的磷越多自由电子越多，所以越多，所以N型半导体中型半导体中电子为多数载流子（电子为多数载流子（“多多子子”），空穴为少数载流），空穴为少数载流子（子（“少子少子”）。磷被称）

6、。磷被称为为“施主施主”杂质。整个半杂质。整个半导体中的正负电荷数相等，导体中的正负电荷数相等，呈现电中性呈现电中性 。电子电子-多子；多子；空穴空穴-少子。少子。2、P型半导体型半导体 在纯净的硅晶体中在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如掺入三价元素（如硼），就形成了硼），就形成了P型型半导体。半导体。空穴空穴-多子；多子；电子电子-少子。少子。 掺入的硼越多空穴数目越掺入的硼越多空穴数目越多，所以多，所以P型型半导体中半导体中空空穴为多数载流子穴为多数载流子，电子为电子为少数载流子少数载流子。硼被称为。硼被称为“受主受主”杂质。整个半导杂质。整个半导体中的正负电荷数也是相体中的正负电荷数也是相

7、等的，半导体仍呈现电中等的，半导体仍呈现电中性。性。 注意注意杂质半导体中，多子的浓度取决于掺杂原子的浓度；杂质半导体中，多子的浓度取决于掺杂原子的浓度；少子的浓度取决于温度。少子的浓度取决于温度。7.1.2 PN结结 通过现代工艺，把一块本征半导体的一边通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成形成P型半导体，另一边形成型半导体，另一边形成N型半导体，两型半导体，两种半导体的交界处就形成种半导体的交界处就形成PN结。结。P区区N区区在交界面，由于两种载流子的浓度差，出在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现多子的扩散运动。现多子的扩散运动。(N(N区中多子电子向区中多子电子向P P区扩散并与区扩

8、散并与P P区中的空穴复合而消失；区中的空穴复合而消失；P P区中的多子空穴扩散到区中的多子空穴扩散到N N区，与区，与N N区中的自由电子复合而消失区中的自由电子复合而消失) )N区区P区区一、一、PN结的形成结的形成在交界面，由于多子的扩散运动在交界面，由于多子的扩散运动, ,经过复合经过复合, ,出现了由不能移动的杂质离子构成的空间电出现了由不能移动的杂质离子构成的空间电荷区，建立了内电场荷区，建立了内电场空间电荷区空间电荷区耗尽层耗尽层N区区P区区内电场当多子的扩散与少子的漂移达到动态平衡当多子的扩散与少子的漂移达到动态平衡（扩散电流等于漂移电流）扩散电流等于漂移电流），形成，形成PN

9、结。结。PN结结内电场（内电场（N区指向区指向P区）区） N区区P区区3. 当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，形成当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，形成PN结。结。1. 由于扩散运动形成空间电荷区和内电场由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;2. 内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性1、外加正向电压、外加正向电压P区接电源正极，区接电源正极，N区接电源负极，又称正向偏置。区接电源负极，又称正向偏置。U 内电场内电场外电场外电场外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，当外电压增外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，当外电压

10、增加到一定值后，正向电流明显增加（加到一定值后，正向电流明显增加（PNPN），），PNPN结呈现结呈现的电阻很小。形成较大的扩散电流，的电阻很小。形成较大的扩散电流，PN结导通结导通。UU2、外加反向电压、外加反向电压外电场和内电场共同作用，使耗尽层变宽，阻碍了多子的扩散运动，外电场和内电场共同作用，使耗尽层变宽，阻碍了多子的扩散运动，而加强了少子的漂移运动，通过而加强了少子的漂移运动，通过PNPN结的电流（反向电流）由少子的结的电流（反向电流）由少子的漂移运动决定漂移运动决定 。少子浓度很低，反向电流很小。当反向电压增大时，。少子浓度很低，反向电流很小。当反向电压增大时，反向电流几乎不随外加

11、电压的增大而增大。反向电流几乎不随外加电压的增大而增大。PN结截止。结截止。 综上所述，综上所述，PN结正偏时导通结正偏时导通，呈现很小，呈现很小的电阻，形成较大的正向电流；的电阻，形成较大的正向电流；反偏时截止反偏时截止，呈现很大的电阻，反向电流近似为零。呈现很大的电阻，反向电流近似为零。PN结具有单向导电特性结具有单向导电特性。 PN结除具有结除具有单向导电性单向导电性以外，还具有以外，还具有击穿特性、电容特性、温度特性。击穿特性、电容特性、温度特性。7.2 半导体二极管半导体二极管7.2.1 基本结构基本结构(PN结结+两个电极两个电极+管壳管壳)1、 内部结构内部结构核心部分核心部分2

12、、图形符号、图形符号3、分类、分类硅管硅管按材料按材料锗管锗管按按PN结的结构结的结构点接触型点接触型面接触型面接触型VDVS 7.2.2 伏安特性伏安特性死区电压反向击穿电压(1). 正向特性正向特性 加正向电压小，电流极小（几乎为零），这一部加正向电压小，电流极小（几乎为零），这一部分称为死区（死区分称为死区（死区/门槛门槛/阈值电压阈值电压)，OA(OA) 硅管：硅管：0.5V，锗管：，锗管：0.1V。 正向电压正向电压死区电压，正向电流急剧增大，二极死区电压，正向电流急剧增大，二极管导通。管导通。二极管的正向导通压降二极管的正向导通压降UVD (on) ： 硅管硅管：0.60.8V，锗

13、管：，锗管：0.10.3V 通常：通常：硅管：硅管：UVD (on)=0.7V，锗管：，锗管：UVD (on)= 0.3V。(2). 反向特性反向特性 加反向电压时，在加反向电压时，在开始开始很大范围内，二极管很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，相当于非常大的电阻，反向电流很小，且不随反反向电流很小，且不随反向电压而变化向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流。此时的电流称之为反向饱和电流IR，OC（OC）段。）段。1.二极管的伏安特性二极管的伏安特性(3). 反向击穿特性反向击穿特性 反向电压加到一定数值，反向电流急反向电压加到一定数值，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。电压称剧增

14、大，这种现象称为反向击穿。电压称为反向击穿电压为反向击穿电压,用用UBR表示表示, CD(CD)段。段。温度特性温度特性温度升高，正向特性左移，温度升高，正向特性左移， 反向特性下降。反向特性下降。604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20 C90 C7.2.3 主要参数主要参数1.最大整流电流最大整流电流IFM2.最大反向工作电压最大反向工作电压URM二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。二极管工作时允许加的最大反向电压，通常为击二极管工作时允许加的最大反向电压，通常为击穿电压穿电压UBR的一半或三分之二。的一半或三分之二。

15、半导体的参数是对其特性和极限应用的定量描述，半导体的参数是对其特性和极限应用的定量描述，是设计电路时选择器件的主要依据。是设计电路时选择器件的主要依据。3.最大反向电流最大反向电流IRMUI为了分析问题方便，用线性化的等效模型来代为了分析问题方便，用线性化的等效模型来代替二极管。替二极管。 1 1、二极管等效电路、二极管等效电路（1）理想二极管模型）理想二极管模型7.2.4 应用举例应用举例0,U 导通，且导通管压降导通，且导通管压降D0U0,U 截止截止UI（2）非理想二极管模型）非理想二极管模型on,UU截止截止D0.70.3Uon,UU导通，且导通管压降导通，且导通管压降（硅管）（硅管）

16、（锗管）（锗管）ttuo0ui0DuiuoRL【例【例1】画出二极管电路的输出波形（设】画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。）。二极管整流二极管整流 2 2、应用、应用【例【例2】画出二极管电路的输出波形（设】画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V）0.7V0.7V-3V二极管限幅二极管限幅ui 8V 二极管导通，可看作短路二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui UBUE； PNP型：UEUBUC三极管具有放大作用的测试电路BCEIII+-RbVBBIEIBIC+-VCCRcVUCCUBBIIBC进入进入P区的电子少部分与基区的区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流空穴复合，形

17、成电流IB ，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。BECNNPEBRBEcIEIBRC集电结反向偏置。从基区扩散来的电子漂移进入集电结反向偏置。从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成集电结而被收集，形成IC。BECNNPEBRBEcIEIBICRCBCEIIIBECNNPEBRBEcIEIBICRC直流直流(静态静态)电流放大倍数电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。偏，集电结反偏。BCII交流交流(动态动态)电流

18、放大倍数电流放大倍数BCII）（通常：20020 (a)NPN型三极管; (b)PNP型三极管电流方向：2、饱和状态、饱和状态发射结正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。BCII3、截止状态、截止状态发射结反偏，集电结反偏。发射结反偏，集电结反偏。相当于相当于“开关开关”闭闭合合0BI 相当于相当于“开关开关”断断开开0CEU管压降管压降0CI （a）共发射极）共发射极 （b）共基极）共基极 （c）共集电极）共集电极 输入输入输输出出输入输入输入输入输输出出输输出出连接方式连接方式 7.4.3 特性曲线特性曲线 实验线路实验线路特性曲线特性曲线 指各极电压与电流之间的关系曲线指各极电压与电

19、流之间的关系曲线 它是三极管内部载流子运动的外部表现。三极管的共射接法应用最广，以NPNNPN管共射接法管共射接法为例分析其特性曲线。 包括包括输入特性和输出特性曲线输入特性和输出特性曲线。 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗，锗管管0.1V。IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V管压降：管压降： 硅管硅管UBE 0.60.8V,锗管锗管UBE 0.20.3V。CEBBEUIf U常数1、输入特性曲线、输入特性曲线2、输出特性曲线、输出特性曲线iC(mA )1234uCE(V)36912iB=020 A40 A60 A80 A100 ABCCEiif u常数当当

20、 时，时，iC只与只与iB有关，有关，满满足足iC= iB。称为放大区。称为放大区。CEBEuu大于放大区：发射放大区：发射结正向偏置，结正向偏置，集电结反向偏集电结反向偏置。置。此区域中此区域中uCE uBE， iBiC ，称，称为饱和区。为饱和区。iC(mA )1234uCE(V)36912iB=020 A40 A60 A80 A100 A饱和区：发射饱和区：发射结、集电结均结、集电结均正向偏置。正向偏置。此区域中此区域中 : iB=0，iC0，称为截止称为截止区。区。iC(mA )1234uCE(V)36912iB=020 A40 A60 A80 A100 A截止区：发射截止区：发射结、

21、集电结均结、集电结均反向偏置。反向偏置。输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:工作状态工作状态放放 大大饱饱 和和截截 止止条件条件发射结正偏，发射结正偏，集电结反偏集电结反偏发射结正偏，发射结正偏，集电结正偏集电结正偏发射结反偏，发射结反偏，集电结反偏集电结反偏工工作作特特点点集电极集电极电流电流I IC CIIB BI ICI ICS UCC/RCIc0Ic0管压降管压降UCE=UCC-ICRCUCE=UCES0.3VUCEUCC近似的近似的等效等效电路电路c c、e e间间等效内等效内阻阻可变可变很小，约为数百欧，很小，约为数百欧，相当于开关闭合相当于开关闭合很大，约为数很大，约

22、为数百千欧，相当百千欧，相当于开关断开于开关断开bcebce0.7V0.3V3、三极管工作状态及类型的判断方法：、三极管工作状态及类型的判断方法：三极管放大状态时：NPN：UcUbUe ,PNP： UcUbUe且且|Ub-Ue|=0.7V，硅管，硅管0.3V，锗管，锗管0.7V4V00.7V0.3V0 0 4V0【例【例1】判断以下】判断以下NPN型三极管的工作状态。型三极管的工作状态。放大放大饱和饱和截止截止例题分析例题分析 【例【例2】测得放大电路中六只晶体管的直流电】测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。它们是硅管还是锗管。解题思路解题思路(1)三极管处于放大状态三极管处于放大状态(3)确定三个电极确定三个电极(2)确定三极管为硅管还是锗管确定