电气基础半导体元器

电气基础

——制造大类各专业半导体器件丁薇电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第1页!半导体器件3.1半导体的基本知识

物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，它们的电导率在105S·cm-1量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体，它们的电导率在10-22~10-14S·cm-1量级；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，它们的电导率在10-9~102S·cm-1量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓（GaAs)等。

电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第2页!半导体器件1.本征半导体和掺杂半导体本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体。杂质半导体：在纯净的半导体中加入微量的杂质元素后形成的半导体。杂质半导体N性半导体（电子性半导体）——掺入5价的杂质元素如磷（P），多数载流子是自由电子。P性半导体（空穴性半导体）——掺入3价的杂质元素如硼（B），多数载流子是空穴。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第3页!半导体器件当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴”。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第4页!空间电荷区3、PN结的形成及单相导电在一定条件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++PN结的形成演示

空间电荷区（如上图所示），也就是PN结，又叫耗尽层。

P区N区空间电荷区电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第5页!半导体器件PN结的单向导电性加正向电压时，空间电荷区变窄，PN结处于导通状态。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第6页!半导体器件3.2半导体二极管1.二极管的结构和类型

一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管，接在P型半导体一侧的引出线称为阳极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。

点接触型二极管PN结面积很小，因而结电容小，适用于高频几百兆赫兹下工作，但不能通过很大的电流。主要应用于小电流的整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。

面接触型二极管PN结面积大，因而能通过较大的电流，但其结电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第7页!半导体器件2、二极管的伏安特性

二极管的电路图符号如右图所示：（1）正向特性

二极管外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态。

正向电压大于死区电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.6～0.7V，锗管约为0.2～0.3V。温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。

电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第8页!半导体器件3.二极管的主要参数1）最大整流电流IFM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2）最高反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最高反向电压。3）反向电流IR：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。二极管的应用举例DTru1RLu2＋UL－

二极管半波整流电路＋u－uDAU＋F二极管钳位电路RuOuiD1D2二极管限幅电路二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第9页!半导体器件I/mA40302010-5-10-15-20（μA）正向00.40.8－12－8－4反向ΔUZΔIZU/V

当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击穿区。图中UZ稳压管的稳定电压值。

由图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但其反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时的电流。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第10页!半导体器件光电二极管

光电二极管也称光敏二极管，是利用半导体光敏特性制造的光接受器件。和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。其反向电流与照度正正比，即没有光线照射时，反向电流很小，称为暗电流；有光线照射时，反向电流较大，称为光电流。光电二极管图符号电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第11页!半导体器件

由两块N型半导体中间夹着一块P型半导体的管子称为NPN管。还有一种与它成对偶形式的，即两块P型半导体中间夹着一块N型半导体的管子，称为PNP管。晶体管制造工艺上的特点是：发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质浓度底，集电结面积大。这样的结构才能保证晶体管具有电流放大作用。三个极：发射极、集电极、基极三个区：发射区、集电区、基区两个结：发射结、集电结电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第12页!半导体器件2、三极管的电流放大作用μAmAmAICIBIEUBBUCCRB3DG6NPN型晶体管电流放大的实验电路RCCEB左图所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。改变可调电阻RB，基极电流IB，集电极电流IC和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可得出以下结论：1.IE

＝IB

＋IC

（符合KCL定律）2.

IC≈

IB，为管子的静态流放大系数，用来表征三极管的电流放大能力；3.△IC≈

△IB

β

为管子的动态电流放大系数

晶体管电流放大的条件：

晶体管内部：

a）发射区杂质浓度>>基区>>集电区；

b）基区很薄。晶体管外部：

发射结正偏，集电结反偏。β电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第13页!半导体器件3、三极管的特性曲线1．输入特性曲线晶体管的输入特性与二极管类似输入特性曲线是指UCE为常数时，IB和UCE之间的关系曲线，即IB=f(UBE)/Uce=常数电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第14页!半导体器件4、三极管的主要参数1、电流放大倍数β：iC=βiB2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3、极限参数（1）集电极最大允许电流ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。（2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压：基极开路时、集电极与发射极之间的最大允许电压。为保证晶体管安全工作，一般应取：

（3）集电极最大允许功耗PCM

：晶体管的参数不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第15页!半导体器件

2、晶闸管的导通条件和关断条件P1P2N2N1正向阻断状态：反向阻断状态：P1P2N2N1导通状态：N1P1P2N2UGK晶闸管导通控制极将失去作用电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第16页!半导体器件3、晶闸管的主要参数UTn额定电压，由生产厂家确定。通常取UTn=（2~3）UTMUF晶闸管导通时的管压降的平均值，一般在0.4~1.2之间。IT(AV)额定电流（通态平均电流），是指在规定的环境温度及散热条件下允许通过的正弦半波电流的平均值。以上三个参数是选购晶闸管的主要技术数据电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第17页!目录单击此处添加标题文字单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容1单击此处添加标题文字单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容2单击此处添加标题文字单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容3单击此处添加标题文字单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容4电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第18页!半导体器件这是硅和锗构成的共价键结构示意图晶体结构中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度和没有外界能量激发时，价电子没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此不能导电硅和锗的简化原子模型。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第19页!半导体器件

不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。应注意：

半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有以下特性。

2.半导体的独特性能（1）

热敏性。温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种热敏效应可制成热敏器件。（2）光敏性。光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。（3）掺杂性。通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。例如，室温30°C时，在纯净锗中掺入一亿分之一的杂质（称掺杂），其电导率会增加几百倍。

电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第20页!对于电场线的复习一、电场线：在电场中人为做出的表达电场的强弱和方向的一系列假想曲线。二、电场线性质：

A.假想的，不是真实的

B.起于正电荷（或无穷远）止于负电荷（或无穷远）C.电场线不相交不闭合。D.电场线的疏密表示电场的强弱。线上某点的切线方向表示该点的电场方向三、对于均匀电场四、电场的叠加：遵从平行四边形定则电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第21页!半导体器件加反向电压时，空间电荷区变宽，PN结处于截止状态。

PN结的“正偏导通，反偏阻断”称为其单向导电性质，这正是PN结构成半导体器件的基础。

电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第22页!半导体器件看二极管的实物图电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第23页!半导体器件（2）反向特性

反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流很小；

显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。热击穿问题普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造成“热击穿”，热击穿将使二极管永久性损坏。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第24页!半导体器件4.特殊二极管

稳压管

稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏安特性如图所示：稳压管图符号稳压管实物图电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第25页!半导体器件发光二极管单个发光二极管实物发光二极管图符号

发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件，简称LED。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。正向导通时才能发光。发光的颜色有红、绿、黄等多种，其正向工作电压一般在1.5~3V允许通过的电流为2~20mA，电流的大小决定发光的亮度。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第26页!半导体器件3.3晶体三极管1、双极型晶体管的基本结构和类型

双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的PN结构成的。在工作过程中两种载流子都参与导电，所以全名称为双极结型晶体管。双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管。

从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。

电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第27页!半导体器件

晶体管的种类很多,按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按用途不同分为放大管和开关管；按照半导体材料分，有硅管、锗管等等。晶体管的符号如图所示：硅管热稳定性好，多数为NPN型；锗管受温度影响大，多数为PNP管。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第28页!半导体器件晶体管的电流放大原理：1、发射区向基区扩散电子的过程：

由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。2、电子在基区的扩散和复合过程：

由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。3、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：

由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。实验表明：

IC比IB大数十至数百倍，因而IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。电气基础半导体元器共34页，您现在浏览的是第29页!半导体器件2、输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置

（3）饱和区：发射结正