第一章 基本半导体分立器件ok

1第1章 常用半导体器件1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3晶体三极管1.4场效应管1.5单结晶体管和晶闸管……21.1半导体基础知识1.1.1

本征半导体1.1.2

杂质半导体1.1.3

PN结3导体：电阻率小于10-4Ω.cm，很容易导电，称为导体.如铜、铝、银等金属材料；绝缘体：电阻率大于1010Ω.cm，很难导电，称为绝缘体，如塑料、橡胶、陶瓷等材料；半导体：电阻率在10-3~109Ω.cm，导电能力介于导体和绝缘体之间，例如硅(Si)和锗(Ge)等半导体材料；半导体材料制作电子器件的原因?不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是在于半导体材料具有热敏性、光敏性和掺杂性。4半导体材料制作电子器件的原因?1、热敏性：是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加，例如纯净锗从20℃升高到30℃时，电阻率下降为原来的1/2；2、光敏性：半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性；例如硫化镉薄膜在暗处：电阻为几十MΩ。光照：电阻下降为几十KΩ3、掺杂性：是半导体导能力，因掺入适量的杂质而发生很大的变化，例如在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼杂质，电阻率下降到原来的几万分之一，利用这一特性，可以制造出不同性能不同用途的半导体器件。51、本征半导体的晶体结构把非常纯净的,原子结构排列非常整齐的半导体称为本征半导体。1.1.１

本征半导体6硅原子电子数为14，最外层电子为四个。锗原子电子数为32，最外层电子为四个。常把原子核和内层电子数看作一个整体，称为惯性核。由于原子呈中性，惯性核带＋4单位正电荷。这样，惯性核和外层价电子构成一个简化的原子结构模型。硅(锗)的原子结构简化模型+4+14284+3228184硅(锗)的原子结构硅锗SiGe1.1.１

本征半导体7+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键A．硅原子电子数为14，最外层电子为四个，是四价元素B、硅原子结合方式是共价键结合：(i)每个价电子都要受到相邻两个原子核的束缚;(ii)半导体的价电子既不象导体的价电子那样容易挣脱成为自由电子，也不象绝缘体中被束缚，所以其导电能力介于导体与绝缘体之间1、本征半导体的原子结构——共价键结合，以硅原子为例。1.1.１

本征半导体8+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键2、本征半导体的激发与复合空穴自由电子空穴A、本征激发—

电子、空穴对的产生B、电子与空穴的复合D、最后达到动态的平衡C、空穴是可以移动的，其实是共价键的电子依次填补空穴，形成空穴的移动1.1.１

本征半导体9本征半导体小结：

本征半导体带正电荷的空穴1、本征半导体中两种载流子：①.是带负电荷的自由电子；②.是带正电荷的空穴。2、本征半导体中电流由两部分组成：

①.自由电子移动产生的电流。

②.空穴移动产生的电流。带负电荷的自由电子103、温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。这是半导体的一大特点。4、本征激发产生的载流子数量很少，本征半导体导电能力很差。只有在本征半导体中掺入适量的杂质，才能极大提高其导电性能，成为杂质半导体，用于制造各种半导体器件。本征半导体浓度为书上P11，公式（1.1.1），自己看看。本征半导体小结：11在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加了。P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(如硼)构成的杂质半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(如磷)构成的杂质半导体。1.1.2杂质半导体121、N型半导体多余电子因不受共价键的束缚成为自由电子，同时磷原子就成为不能移动的带正电的离子，称为施主原子。另外N型半导体中还有少量的空穴，其浓度远小于自由电子的浓度，所以把自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子，简称多子和少子。在本征半导体中掺入五价元素多余电子磷原子+N型硅表示1.1.2杂质半导体132、P型半导体P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。当附近硅原子的外层电子由于热运动填补空穴时，硼原子成为不可移动的负离子。硼原子称为受主原子。在本征半导体中掺入三价元素空穴硼原子P型硅表示1.1.2杂质半导体143、杂质半导体的示意表示法++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子浓度与所掺杂质浓度相等。整块的半导体仍为中性.－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体－－1.1.2杂质半导体15小结4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。

N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。16P型区N型区内建电场

PN结(1)多子的扩散运动产生空间电荷区建立内电场(2)随着内电场由弱到强得建立,少子漂移从无到有,逐渐加强,而扩散运动逐渐减弱,

形成平衡的PN结。1、PN结(PNJunction)的形成多子的扩散多子的扩散1.1.3

PN结耗尽层问题：PN结是带正电，还是负电？172、PN结的单向导电性(1)正向偏置(forwardbias外加正向电压)(2)反向偏置(reversebias外加反向电压)1.1.3

PN结18(1)、外加正向电压(正向偏置forwardbias)

P

N内电场外电场正向电流IFIF=I多子

I少子

I多子A、正向偏压的接法：P区接高电位，N区接低电位B、正向偏压削弱内电场，有利多子的扩散运动，使PN结空间电荷区变窄；C、正向偏压时，PN结为导通状态，外电路电流IF很大，PN结呈现的正向电阻很小RUI多子PN结为导通状态1.1.3

PN结限流电阻19

P

N内电场IR=I少子

0反向电流IRA、反向偏压的接法：P区接低电位，N区接高电位B、反向偏压内电场增强，不利多子扩散运动，有利于少子的漂移运动，形反向电流IR，IR很小，硅管为纳安数量级，锗管为微安数量级。C、反向偏压，使PN结空间电荷区变宽。D、反向偏压PN结为截止状态，外电路电流接近为O，PN结呈现的反向电阻很大(2)外加反向电压(反向偏置reversebias）限流电阻R外电场UI少子PN结为截止状态1.1.3

PN结20PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止。总结211.2半导体二极管(SemiconductorDiode)1.2.1半导体二极管的几种常见结构1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管主要参数1.2.4二极管的等效电路1.2.5稳压二极管1.2.6其它类型二极管22构成：

PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型1、结构与类型阳极

阴极1.2.1半导体二极管的几种常见结构23负极引线点接触型正极引线金属触丝N型锗片外壳负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金正极

引线负极

引线

平面型NP型支持衬底PPN结（常见二极管的结构和外型）2、特点与用途1.2.1半导体二极管的几种常见结构PN结面积小结电容小适用于高频电路和小功率整流工作频率高。不能通过较大的电流PN结面积大能通过较大的电流结电容大能在低频下工作一般仅作为整流管使用PN结面积可大可小视结面积的大小用于大功率整流和开关电路中半导体二极管图片2526伏安特性曲线

通过二极管的电流随外加偏压的变化规律，称为二极管的伏安特性。以曲线的形式描绘出来，就是伏安特性曲线。正向偏压反向偏压IFUFVmAIRURVμA1.2.2二极管的伏安特性27IS击穿电压UBR图1.2.3二极管的伏安特性锗管硅管硅管锗管死区电压Uoni

/mA正向电流104030200.20.60.41.00.8u/VUR/VIR/A反向电流反向电压正向电压1.2.2二极管的伏安特性伏安特性曲线导通电压:硅管0.6~0.8V,锗管0.1~0.3V死区（开启）电压Uon:硅管0.5V，锗管0.1V28IS击穿电压UBR图

二极管的伏安特性锗管硅管硅管锗管死区电压Uoni

/mA正向电流104030200.20.60.41.00.8u/VUR/VIR/A反向电流反向电压正向电压1、正向特性—加正向偏压uA、

u

较小时，i较小

B、

u大于死区电压时，

i迅速增加，并按指数规律上升。

C、当二极管电流变化很大时，二极管两端电压几乎不变，硅管约0.6~0.8V，锗管约0.1~0.3V，分别作为正向工作时两端直流压降得估算值。2、反向特性——加反向偏压URA、反向电流IR是少子漂移运动引起，所以数量小，几乎不变，又称为反向饱和电流IS。

B、当温度升高，IS增加

C、硅管IS小于1uA，锗管为几十到几百uA。3、击穿特性——

当UR继续增大，并超过某一个特定电压值时，IR将急剧增大，这种现象称为击穿，这时对应的电压叫击穿电压UBR。1.2.2二极管的伏安特性伏安特性曲线291、最大整流电流IF

指二极管在一定温度下，长期允许通过的最大正向平均电流2、最高反向工作电压UR指二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常为击穿电压U(BR)的一半。1.2.3二极管的主要参数303、反向电流IR（反向饱和电流IS)

这个值越小，则管子的单向导电性就越好。1.2.3二极管的主要参数314、结电容与最高工作频率fM

PN结的电容效应

(1)PN结加电压后，其空间电荷区会发生变化，这种变化造成的电容效应称为结电容。

(2)结电容越大。二极管的高频单向导电性越差。

(3)fM就是二极管仍然保持单向导电性的外加电压最高频率。PN1.2.3二极管的主要参数32IF/mA0.20.60.40.8UF/V5、二极管的温度特性T

升高时，UD(on)以(22.5)mV/C

下降,输入曲线左移当温度升高10C时，IR增加一倍IR/AUD(on)半导体具有热敏性，温度变化,使二极管参数发生变化，使二极管工作不稳定。IF/A1.2.3二极管的主要参数二极管是非线性器件，由二极管构成电路是非线性电路。分析困难用线性元件构成的电路来近似模拟二极管的特性二极管的等效电路多种等效电路，根据应用要求进行选择1.2.4二极管的等效电路34

图1.2.4二极管的近似模型(1)理想模型A、正向导通，管压降为0，即UF=0，视二极管为短路；B、反向截止，电流为0，即IF=0，视二极管为开路阳极

阴极阳极

阴极ui阳极

阴极理想二极管1.2.4二极管的等效电路35

图1.2.4二极管的近似模型A、正向导通时二极管管压降为恒定值Uon：

硅管0.7V

锗管0.2V

uiUon1.2.4二极管的等效电路B、反向截止，i=0(2)恒压降模型

理想二极管361.1半导体基础知识1.1.1

本征半导体1.1.2

杂质半导体1.1.3

PN结半导体材料制作电子器件的原因?是在于半导体材料具有热敏性、光敏性和掺杂性。复习页37本征半导体小结：1、本征半导体中两种载流子：①.带负电荷的自由电子；②.带正电荷的空穴。2、本征半导体中电流由两部分组成：

①.自由电子移动产生的电流。

②.空穴移动产生的电流。3、温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。4、本征激发产生的载流子数量很少，本征半导体导电能力很差。只有在本征半导体中掺入适量的杂质，才能极大提高其导电性能，成为杂质半导体，用于制造各种半导体器件。复习页38P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(如硼)构成的杂质半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(如磷)构成的杂质半导体。1.1.2杂质半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子浓度与所掺杂质浓度相等。整块的半导体仍为中性.复习页39小结4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。

N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。复习页401.1.3

PN结PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，PN结导通。扩散运动是因浓度差引起的；由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，硅管为纳安数量级，锗管为微安数量级，PN结截止。漂移运动是因电位差而产生的。。复习页411.2半导体二极管构成：

PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：阳极

阴极正向偏压IFUF反向偏压IRUR复习页42IS击穿电压UBR图1.2.3二极管的伏安特性锗管硅管硅管锗管死区电压Uoni

/mA正向电流104030200.20.60.41.00.8u/VUR/VIR/A反向电流反向电压正向电压二极管伏安特性曲线导通电压:硅管0.6~0.8V,锗管0.1~0.3V死区（开启）电压Uon:硅管0.5V，锗管0.1V复习页431、最大整流电流IF2、最高反向工作电压UR

1.2.3二极管的主要参数3、反向电流IR（反向饱和电流IS)

这个值越小，则管子的单向导电性就越好。4、结电容与最高工作频率fM

PN结的电容效应(1)结电容越大。二极管的高频单向导电性越差。(2)fM就是二极管仍然保持单向导电性的外加电压最高频率。5、二极管的温度特性半导体具有热敏性，温度变化,使二极管参数发生变化，使二极管工作不稳定。复习页441.2.4二极管的等效电路

图1.2.4二极管的近似模型(1)理想模型A、正向导通，管压降为0，即UF=0，视二极管为短路；B、反向截止，电流为0，即IF=0，视二极管为开路阳极

阴极阳极

阴极ui阳极

阴极理想二极管复习页45

图1.2.4二极管的近似模型(2)恒压降模型uiUon1.2.4二极管的等效电路

理想二极管B、反向截止，i=0A、正向导通时二极管管压降为恒定值Uon：

硅管0.7V

锗管0.2V

复习页46

图1.2.4（ｃ）二极管的折线模型(3)折线模型uiUonA、二极管正向电压U>Uon后，其电流I和U成线性关系，直线斜率为1/rD。B、反向截止，i=0因此，等效电路是理想二极管串联电压源和电阻rD。

理想二极管1.2.4二极管的等效电路47若则若则精确计算例：P21

UD=0.7VS断开时：D导通S闭合时：D截止48[例1]电路如图所示，试判断二极管是导通还是截止，并求出AO两端电压UAO,设二极管是理想的。D6VAO解：假设不成立，所以D导通，相当于导线，UAO=-6V。

BCVB=-6VVC=-12V假设二极管不导通49二极管在电子技术中的应用简介1、整流应用利用二极管单向导电性把大小和方向都变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电50UiUott截止导通UiUoUDRL(a)二极管整流电路;(b)输入与输出波形1、整流应用(假设二极管是理想二极管)512、限幅的应用利用二极管单向导性，将输出电压限定在要求的范围之内，称为限幅。52导通截止导通截止2、限幅的应用uoUit-3t+3-5uo/vui/v+5E1

3v3v

E2（a）双向限幅电路;（b）输入与输出波形Ui≥3V:

VD1导通,VD2截止U0=3VUi≤-3V:

VD2导通,VD1截止U0=-3V`-3V＜Ui＜3V:VD1、VD2都截止U0=Ui531.3特殊二极管1.3.1稳压二极管1.3.2发光二极管与光敏二极管1.3.3变容二极管1.2.3二极管的主要参数541、稳压二极管伏安特性曲线及其工作原理稳压管的稳压作用在于：在反向击穿区内，反向电流i有很大变化，而稳压管两端电压u几乎保持不变。只要Izmin<IZ<IZmAX，稳压管既不损坏，又可使稳压管两端电压几乎保持不变。符号UZ就是稳压二极管的反向击穿电压i

/mAu/VOUZIZIZMui阳极阴极1.2.5稳压二极管55iZ/mAuZ/VOUZ

IZmin

IZMUZIZ

IZ2、稳压管的主要参数

(1)稳定电压UZUZ就是稳压管的反向击穿电压,

如2DW7，UZ（6.1~6.5V之间）

(2)稳定电流IZ

稳压二极管正常工作时的参考电流，经常将IZ记作IZmin。

IZ>

IZmin..IZmin约为几mA以上

(3)额定功耗PZM：PZM等于UZ与最大稳定电流IZM的乘积。

IZ<

IZM,PZM=UZIZM1.2.5稳压二极管56iZ/mAuZ/VOUZ

IZmin

IZmaxUZIZ

IZ2、稳压管的主要参数

(4)动态电阻rZ

动态电阻是反映稳压二极管稳压性能好坏的重要参数，

rZ越小，反向击穿区曲线越陡，稳压效果就越好。1.2.5稳压二极管57

1、发光二极管简称“LED”是英文

LightEmittingDiode的缩写。其电路及符号，如图。

(1)、工作原理：发光二极管也具有单向导电性。当外加反向偏压，二极管截止不发光,当外加正向偏压，二极管导通，因流过正向电流而发光

(2)、发光机理：是由于正偏时，电子空穴复合释放出能量所致，发光颜色与材料及掺杂元素有关。

(3)、发光二极管工作电流一般约为几至几十mA，正向电压降约为1.5~3V。1.2.6其他类型二极管582、光电二极管

(1)、光电二极管也叫光敏二极管，也具有单向导电性

(2)、光电二极管的PN结被封装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管子顶部，可以直接受到光的照射。

(3)、正偏时光电二极管的光敏特性不明显，反偏时，光电二极管处于截止状态：①没有光照时，PN结反向电阻大，反向电流小；②有光照射时，PN结附近产生光生电子空穴对，它们在偏压作用下,作定向运动,宏观上形成了光电流。1.2.6其他类型二极管59发光二极管60光敏二极管61发光二极管与光电二极管3、应用于远距离光电传输图1-21远距离光电传输的原理

621.3晶体三极管1.3.1晶体管的结构及类型1.3.2晶体管的电流放大作用1.3.3晶体管的共射特性曲线1.3.4晶体管的主要参数1.3.5温度对晶体管三极管参数的影响1.3.6光电三极管631.3.1晶体管的结构及类型

半导体三极管是电子电路重要器件,它通过一定的工艺,将两个PN结结合在一起,由于两个PN结的相互影响,使三极管具有电流放大作用.从二极管发展到三极管,这是一个质得飞跃.

1、分类按材料分：①硅管；②锗管按功率分：①小功率管；②中功率管；③大功率管按结构分：①NPN；②PNP

642、NPN和PNP管的结构示意及符号PN结PN结发射区发射极emitter基区基极base集电区集电极collector集电结发射结ECBNPN型(1)符号中的箭头方向是三极管的实际电流方向符号(2)三极管有三个区：发射区—发射极e；基区——基极b；集电区——集电极c。(3)发射区掺杂浓度远高于基区掺杂浓度，基区很薄且掺杂的浓度低；而集电结面积比发射结面积大得多，所三极管的发射极与集电极不能对调使用。652、NPN和PNP管的结构示意及符号PN结PN结发射区发射极emitter基区基极base集电区集电极collector集电结发射结ECBPNP型(1)符号中的箭头方向是三极管的实际电流方向符号(2)三极管有三个区：发射区—发射极e；基区——基极b；集电区——集电极c。(3)发射区掺杂浓度远高于基区掺杂浓度，基区很薄且掺杂的浓度低；而集电结面积比发射结面积大得多，所三极管的发射极与集电极不能对调使用。66

常见晶体管的外形67

常见晶体管的外形681.3.1晶体管的结构及类型复习页NPN结构示意及符号

集电结

发射结发射极基极集电极集电区基区发射区c

b

eECB电路符号691.3.1晶体管的结构及类型复习页PNP结构示意及符号

集电结

发射结发射极基极集电极集电区基区发射区c

b

eECB电路符号70发射结正偏集电结反偏UBBRbUCCRC1.3.2晶体管的电流放大作用

NPNICIB1、三极管内的载流子的传输过程（以NPN为例）电源接法:

UBB

使发射结正偏

UBE=0.7V＞0

UCC

使集电结反偏

UBC＜0

为了达到这个目的,要保证UCC＞UBB

（2）电子在基区的扩散与复合，形成基极电流IB。因为基区很薄，且掺杂浓度低，电子只有一小部份被基区的空穴复合，大部份电子很快到达集电结边缘。(1)由于发射结正偏，因此高掺杂浓度的发射区中的多子（自由电子）越过发射结，向基区扩散，形成发射极电流IE。IE（3）由于集电结反偏，扩散到集电结边缘的电子，很快被吸引越过集电结，形成集电极电流IC。712、电流分配关系

NPNRbUBBICIEIB（以NPN为例）三极管内的载流子运动规律

_发射极电流IE集电极电流I

C基极电流IB三极管的直流电流放大系数722、电流分配关系（以NPN为例）发射极电流IE集电极电流I

C基极电流IB三极管的直流电流放大系数ICEO叫做穿透电流,当ICBO较小时,可以忽略不计,此时，73输入回路输出回路(1)无交流信号

UBB接输入回路,使发射结正偏

UCC接输出回路,使集电结反偏在这种偏置下产生

IE、IC、IB、

IC=βIB,这是对直流电流的放大作用.3、三极管的电流放大作用UBBUCCRCRBIC=βIBIE=IC+IBIB

如图所示称为三极管的共发射极放大电路。因为这个电路中包含由三极管的基极b与发射极e构成的输入回路和由集电极c与发射极e构成的输出回路，三极管的发射极作为输入和输出回路的公共端，所以称为共发射极放大电路。三极管的共发射极放大电路74(2)加入交流信号后A.ΔIc是ΔIB的β倍,三极管对ΔIB有放大作用,β越大,控制能力越强,所以三极管是一个有电流放大的电流控制元件.B.ΔIc在RC上产生的输出电压ΔUo,而ΔUo比ΔUi大约大几十倍,可以得到电压放大。3、三极管的电流放大作用UBBUCCRCRB751.3.3晶体管的共射特性曲线什么叫晶体管的共射特性曲线？晶体管的共射特性曲线是指三极管各电极电压与各电极电流之间关系的曲线，它是管子内部载流子运动规律的外部体现。76输入回路输出回路1、输入特性曲线:

(1)是研究当UCE=常数

时，UBE和iB之间的关系曲线，用函数关系式表示为:77(1)UBE

和iB之间的关系曲线(2)用UCE=1V的输入特性曲线来代表UCE＞1V所有输入特性曲线(3)输入特性的死区电压：硅管约为0.5V；锗管约为0.1V。发射结正偏导通后：硅管UBE=0.7V；锗管UBE=0.2V1、输入特性曲线200.40.60.81006080400.2782、输出特性曲线:

(1)是研究当iB=常数

时，UCE和iC之间的关系曲线，用函数表示为:输入回路输出回路792、输出特性曲线(2)输出特性曲线,当UCE较小时起始部份很陡，当UCE略有增加，iC增加很快，当UCE＞1V

以后，再增加UCE、iC增加不明显。(3)如改变IB则得到另一条输出特性曲线。80（a）输入特性曲线;（b）输出特性曲线

三极管的输入、输出特性曲线813、把输出特性曲线划分成三个区510152012340饱和区截止区放大区击穿区(3)饱和区