第一章半导体二极管和三极管

第一章半导体二极管和三极管§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半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应一、本征半导体1、什么是半导体？什么是本征半导体？根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体的电阻率为0.001～10000000000cm。

导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净(纯度要达到99.9999999%)的晶体结构的半导体2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子。自由电子产生使共价键中留有一个空位置，称空穴一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。本征半导体中的两种载流子半导体的本征激发与复合现象当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高载流子的浓度越高本征半导体的导电能力越强二、杂质半导体掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体是半导体器件的基本材料。1.N型半导体在本征半导体中掺入五价元素（如磷），就形成N型（电子型）半导体；杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。

在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。多子（自由电子）的数量＝正离子数＋少子（空穴）的数量杂质半导体P型半导体本征半导体掺入三价元素（如硼、镓、铟等）就形成P型（空穴型）半导体。

P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强.在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。多子（空穴）的数量＝负离子数＋少子（自由电子）的数量三、PN结的形成及其单向导电性半导体中的载流子有两种有序运动：扩散,漂移.

物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。

同一块半导体单晶上形成P型和N型半导体区域，在这两个区域的交界处，扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。因电场作用所产生的运动称为漂移运动.

当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时空间电荷区（亦称为耗尽层或势垒区）的宽度基本上稳定下来，PN结就形成了.PN结的单向导电性PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧由于外电源的作用，形成扩散电流PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN结的单向导电性当P区的电位高于N区的电位时，称为加正向电压（或称为正向偏置），此时，PN结导通，呈现低电阻，流过mA级电流，相当于开关闭合；当N区的电位高于P区的电位时，称为加反向电压（或称为反向偏置），此时，PN结截止，呈现高电阻，流过μA级电流，相当于开关断开。

PN结是半导体的基本结构单元，其基本特性是单向导电性：即当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能。

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结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。这正是PN结具有单向导电性的具体表现。四、PN结伏安特性PN结伏安特性方程：

式中：Is为反向饱和电流；UT为温度电压当量，当T＝300K时，UT≈26mV当u＞0且u>>UT时,伏安特性呈非线性指数规律；当u＜0且︱u︱>>UT时，电流基本与u无关；由此亦可说明PN结具有单向导电性能。PN结伏安特性当u＞0且u>>UT时伏安特性呈非线性指数规律当u＜0且︱u︱>>Ut时，，电流基本与u无关；由此亦可说明PN结具有单向导电性能。PN结的反向击穿特性当PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流随电压数值的增加而急剧增大。PN结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪崩击穿。无论发生哪种击穿，若对其电流不加以限制，都可能造成PN结的永久性损坏。五、PN结的电容效应1.势垒电容

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。势垒电容是耗尽层变化所等效的电容。势垒电容与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压等因素有关。2.扩散电容

PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。扩散电容是扩散区内电荷的积累和释放所等效的电容。扩散电容与PN结正向电流和温度等因素有关。

PN结电容由势垒电容和扩散电容组成。PN结正向偏置时，以扩散电容为主；反向偏置时以势垒电容为主。只有在信号频率较高时，才考虑结电容的作用。§2半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管六、特殊二极管一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。

二极管的组成点接触型二极管PN结面积小，结电容小，常用于检波和变频等高频电路。面接触型二极管PN结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。平面型二极管PN结面积可大可小，PN结面积大的，主要用于功率整流；结面积小的可作为数字脉冲电路中的开关管。二、二极管的伏安特性及电流方程二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性曲线所示，处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。1）正向特性：当V＞0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段：（1）当0＜V＜Uon时，正向电流为零，Uon称为死区电压或开启电压。（2）当V＞Uon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。2）反向特性：当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：（1）当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。（2）当V≤VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降UD大约减小2mV，即具有负的温度系数。三、二极管的等效电路分段线性模型理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0恒压降模型导通时△i与△u成线性关系线性分段二极管的等效电路2.微变等效电路当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流四、二极管的主要参数1）最大整流电流IＦ：二极管长期工作允许通过的最大正向电流。在规定的散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则会因结温过高而烧坏。2）最高反向工作电压UR：二极管工作时允许外加的最大反向电压。若超过此值，则二极管可能因反向击穿而损坏。一般取UBR值的一半。3）反向电流IR：二极管未击穿时的反向电流。对温度敏感。IR越小，则二极管的单向导电性越好。4）最高工作频率fM：二极管正常工作的上限频率。若超过此值，会因结电容的作用而影响其单向导电性。五、稳压二极管稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管，通过反向击穿特性实现稳压作用。稳压管的伏安特性与普通二极管类似，其正向特性为指数曲线；当外加反压的数值增大到一定程度时则发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴，当电流在一定范围内时，稳压管表现出很好的稳压特性。进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流稳压二极管2.主要参数1）稳定电压UZ：规定电流下稳压管的反向击穿电压。2）最大稳定工作电流IZMAX和最小稳定工作电流IZMIN：稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。而Izmin对应UZmin。若IZ＜IZmin，则不能稳压。3）额定功耗PZM：PZM＝UZIZMAX

，超过此值，管子会因结温升太高而烧坏。4）动态电阻rZ：rz=VZ/IZ，其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。RZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压效果愈好。5）温度系数α：温度的变化将使UZ改变，在稳压管中，当UZ＞7V时，UZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿；当UZ＜4V时，UZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿；当4V＜VZ＜7V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。9、稳压管稳压电路稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻有两个作用：一是起限流作用，以保护稳压管；二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用应用举例

1.理想二极管EVDIUDEIUU>0，VD导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一个闭合的开关U

0，VD截止；I=0，UD（负值）取决于外电路；相当于一个断开的开关EVDI反UDEI反U应用举例

2.二极管的应用RVDEuiuO电路如图示：已知E=5V，ui=10sintV求：uO的波形此类电路的分析方法将二极管看成理想二极管当D的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将D作为一短路线；当D的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将D作为一断开的开关；应用举例

电路如图示：已知VA=3VVB=0V求：VF=？此类电路的分析方法：将二极管看成理想二极管。当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。VDB通，VF=0VRVDAAVDBB+12VF§1.3晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结PPNBEC发射极集电极基极晶体三极管双极型晶体管是通过一定的工艺，将两个PN结接合在一起而构成的器件，是放大电路的核心元件，它能控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。晶体管有三个区（发射区、集电区和基区）、两个PN结（发射结和集电结）、三个电极（发射极、集电极和基极）组成；并且发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，基区很薄且杂质浓度很小，集电区面积很大常见外形有四种，分别应用于小功率、中功率或大功率，高频或低频等不同场合。BEC基极发射极集电极NNP集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高基区：较薄，掺杂浓度低二、晶体管的放大原理因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区少数载流子的运动基区空穴的扩散因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。晶体管的放大原理电流分配

IE＝IB＋IC

IE－扩散运动形成的电流

IB－复合运动形成的电流

IC－漂移运动形成的电流当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流IC，体现出IB对的IC控制作用。此时，可将IC看成电流IB控制的电流源。直流电流放大系数穿透电流集电结反向电流交流电流放大系数三、晶体管的共射输入特性和输出特性1.输入特性2.输出特性对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。饱和区放大区截止区输入特性曲线分为三个区：死区、非线性区和线性区。其中UCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当UCE≥1V时，特性曲线将会向右稍微移动一些但U再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。晶体管的三个工作区域状态uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE饱和≥Uon＜βiB≤uBE工作状态NPN型PNP型特点截止状态发射结（E结）、集电结（C结）均反偏VB＜VE、VB＜VC发射结E结、集电结C结均反偏VB＞VE、VB＞VCIC≈0放大状态发射结E结正偏、集电结C结均反偏VC＞VB＞VE发射结E结正偏、集电结C均反偏VC

＜VB＜VEIC≈βIB饱和状态发射结E结、集电结C结均偏VB＞VE、VB＞VC发射结E结、集电结C