第3章-常用半导体元件及其特性

机械工业出版社张志良主编同名教材配套电子教案

计算机电路基础第3章常用半导体元件及其特性

第3章常用半导体元件及其特性3.1二极管半导体半导体的导电性能是介于导体和绝缘体之间。平时半导体导电能力很低如果掺入微量的杂质导电性能就会发生明显变化，根据掺入杂质元素的不同将半导体分为N型半导体和P型半导体。

PN结N和P型半导体合在一起时两块半导体界面形成PN结。P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子互相扩散，复合形成薄层PN结。PN结外加电压时（1）PN结加正向电压—导通如图3-1所示（2）PN加反向电压时-不导通如图3-1所示

半导体的导电特性现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子Ge锗原子本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4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。载流子：电子，空穴N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）1.1.2杂质半导体N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。硅或锗+少量磷N型半导体N型半导体多余电子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSiP型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。硅或锗+少量硼P型半导体空穴P型半导体硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动(2)N型半导体4价元素掺入微量5价元素后形成N型半导体。自由电子数>>空穴数。

4价元素掺入微量3价元素后形成P型半导体。空穴数>>自由电子数。(3)P型半导体⒈

P型半导体和N型半导体⑴本征半导体。纯净的半导体材料称为本征半导体。3.1.1PN结

第3章常用半导体元件及其特性

3.1二极管1.2.1PN结的形成P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。1.2.2PN结的单向导电性PN结正向偏置－－－－++++内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大空间电荷区变薄PN+_正向电流PN结反向偏置－－－－++++空间电荷区变厚NP+_++++－－－－内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小，A级⒉PN结单向导电性⑴加正向电压——导通。⑵加反向电压——截止。EP区N区耗尽层内电场外电场U-+RIREP区N区耗尽层内电场外电场U+-IR

a)b)图3-1外加电压时的PN结a)正偏b)反偏3.1.2普通二极管

半导体二极管1.一个二极管是由一个PN结的两端上引线封装的构成，P区二极管正极N区二极管负极VD二极管文字符号如图所示

二极管类型分为普通二极管，整流管，开关管，稳压管

2.二极管伏安特性（U-I,V-A)

二极管伏安特性常用曲线来描述如图所示3-3正向特性（1）死区段OA导通段AB反向特性（1）饱和段OC（2）击穿段CD

3.温度对二极管伏安特性的影响

温度升高时反向电压降UON,反响饱和电流增大

4.二极管的主要特性参数

二极管福安特性描述外还可以参数来描述。最大整流电流

IF最高反响工作电压URM反向电流IR和反响饱和电流IS,最高工作频率

1.3.1二极管的结构及符号构成：PN结+引线+管壳=二极管符号：＋－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1.3二极管

结构和符号PNPN符号阳极阴极1.3二极管点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

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

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。UIE+-反向漏电流（很小，A级）

伏安特性静态电阻Rd，动态电阻rDUQIQUS+-R静态工作点Q（UQ，IQ）静态电阻Rd，动态电阻rD静态电阻：Rd=UQ/IQ

（非线性）动态电阻：

rD=⊿UQ/⊿IQ在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻iuIQUQQIQUQ3.1.2普通二极管1.PN结的伏安特性⑴正向特性①死区段；②导通段⑵反向特性①饱和段；②击穿段2.温度对伏安特性的影响①温度每升高1℃Uon约减小2~2.5mV。②温度每升高10℃反向电流约增大一倍。1.3.二极管的主要参数1、最大整流电流IF：二极管长期工作运行通过的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压URM：为保证管子安全工作，通常取为击穿电压的一半。3、反向电流IR(sat)：是管子未击穿时反向直流电流的数值。4、最高工作频率fM：是二极管具有单向导电性的最高工作频率。4.理想二极管的特性

若二极管的正向压降远小于和它串联的电压，反向电流远小于和它并联的电流，可用理想二极管来等效二极管。理想二极管的门限电压和正向压降均为零，反偏时反向电流也为零。二极管的理想等效模型IZmax+-稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和

Izmin之间时,其两端电压近似为常数正向同二极管稳定电流稳定电压稳压二极管3.1.3稳压二极管稳压二极管时一种特殊的面接合型硅二极管1.伏安特性

硅稳压二极管的负极接外加电压的正段，正极接外加电压的负段管子外于反向偏置状态，而端电压基本上不变，但电流很大范围内变化，这特性实现稳压。如图所示

2.参数稳定电压Uz，稳定电流Iz，最大耗散功率Pzm，动态电阻rz，电压温度系数az

3.1.3稳压二极管⒈伏安特性⒉稳压工作条件①电压极性反偏；②有合适的工作电流。3.2双极型晶体管3.2.1晶体管概述⒈基本结构和符号

2.电流分配关系:IE=IC+IB

1.基本结构

(1）.三极管文字符号为VT（2）B,C,E基极，集电极，发射极（3）CB集

电结

，EB发射结，（4）基区很薄，集电区浓度高，发射区面积达2.电流放大和分配关系晶体管处于放大工作状态时发射结必须正偏，集电结必须反偏如图3-13所示三个电机电流关系IE=IC+IB=(1+β)IB

3.2.2共发射极特性曲线

晶体管共射电路工作状态

⑴放大区条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：iC＝βiB，iC与iB成正比关系。⑵截止区条件：发射结反偏，集电结反偏。特点：iB＝0，iC＝ICEO≈0⑶饱和区条件：发射结正偏，集电结正偏。特点：iC与iB不成比例。即iB增大，iC很少增大或不再增大，达到饱和，失去放大作用。⑷击穿区

击穿区不是三极管的工作区域。5.晶体管的主要参数7种（88页）

3.3场效应晶体管概述

场效应晶体管也是一种PN结的半导体也是一种电流控制器件，输入电阻较小也是一种电压控制器件输入电阻极高。

1.分类结型和绝缘栅型绝缘栅型（金属M，氧化物O半导体组成简称MOS型）

2.半导体 电沟道P沟道P沟道结型PMOS，N沟道N沟道结型NMOS