第1章半导体元件及其特性

04二月2023第1章半导体元件及其特性

二极管半导体基础知识与PN结晶体管场效应管本章小结04二月20231.1

半导体基础知识

与PN结主要要求：

1.了解半导体材料的基本知识2.理解关于半导体的基本概念3.理解PN结的形成4.掌握PN结的单向导电作用04二月2023

1.半导体的特点

半导体是制造电子器件的主要原料，它的广泛应用不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是它的电阻率可以随温度、光照、杂质等因素的不同而呈现显著的区别。

自然界中的物质按导电性能可以分为

半导体导电特性独有的特点导体半导体热敏性光敏性1.1.1

半导体的特点绝缘体杂敏性04二月2023

2.本征半导体

常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），高纯度的硅和锗都是单晶结构，它们的原子整齐地按一定规律排列，原子间的距离不仅很小，而且是相等的。把这种纯净的、原子结构排列整齐的半导体称为本征半导体。

硅和锗的外层价电子都是4个，所以都是4价元素，右图是硅和锗的原子结构示意图。（a）硅原子结构（b）锗原子结构04二月2023

这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示：价电子（热激发）自由电子-空穴对（1）温度越高，自由电子-空穴对数目越多；（2）自由电子-空穴数目相等，对外不显电性。硅（锗）原子在晶体中的共价键排列复合平衡04二月2023注意：半导体与导体不同，内部有两种载流子参与导电——自由电子与空穴。在外加电场的作用下，有：

I=In（电子电流）+Ip（空穴电流）空穴导电的实质是价电子的定向移动！04二月2023

3.掺杂半导体本征半导体实际使用价值不大，但如果在本征半导体中掺入微量某种杂质元素，就形成了广泛用来制造半导体元器件的N型和P型半导体。

根据掺入杂质的不同掺杂半导体可以分为N型半导体P型半导体04二月2023

（1）N型半导体——杂质为少量5价元素，如磷（P）；（2）P型半导体——杂质为少量3价元素，如硼（B）。N型磷原子自由电子自由电子——多数载流子空穴——少数载流子载流子数

电子数P型硼原子空穴空穴——多子自由电子——少子载流子数

空穴数两种载流子运动演示04二月2023注意：无论是N型还是P型半导体都是电中性，对外不显电性！！！04二月20231.1.2

PN结形成与特性什么是PN结？

PN结是P型与N型半导体区域交界处的特殊带电薄层，具有特殊的单向导电性，是半导体元器件制造的基础单元。04二月2023载流子浓度差复合(耗尽层)内电场阻碍多子扩散帮助少子漂移扩散漂移动态平衡

注意：动态平衡的PN结交界面上无电流流过，即I=0。内电场

1.PN结的形成

多子扩散空间电荷区平衡PN结P区N区PN结的形成演示04二月2023

2.PN结的特性

（1）PN结的正向导通特性——正偏导通（P区电位高于N区）内电场外电场

所以，正偏时扩散运动增强，漂移运动几乎减小为0，宏观上形成很大的正向电流IF。

外电场越强，正向电流越大，PN结的正向电阻越小。P区N区多子空穴多子自由电子正向电流IF+UR04二月2023

+UR

2.PN结的特性

（1）PN结的反向截止特性——反偏截止（P区电位低于N区）P区N区少子自由电子

少子空穴反向电流IR内电场外电场PN结的单向导电性04二月2023要记住：（1）外加正向电压时PN结的正向电阻很小，电流较大，是多子扩散形成的；（2）外加反向电压时PN结的反向电阻很大，电流极小，是少子漂移形成的。PN结电路中要串联限流电阻。要注意：04二月20231.2二极管主要要求：

1.了解半导体二极管的结构、类型、特性与参数2.掌握半导体二极管在电子技术中的应用04二月2023认识二极管

04二月20231.2.1

二极管的结构与类型

一个PN结加上相应的外引线，然后用外壳封装就成为最简单的二极管了，其中，从P区引出的引线叫做阳极或正极、从N区引出的引线叫做阴极或负极。常用D（Diode）表示二极管。

图中的箭头表示正偏时的正向电流方向。04二月2023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点接触型金属触丝N型锗P型层阳极阴极

面接触型P型扩散层锡支架N型硅SiO2保护层阴极阳极04二月20231.2.2

二极管的特性与参数

1.二极管的伏安特性

半导体二极管的内部就是一个PN结，因此二极管具有和PN结相同的单向导电性，实际的二极管伏安特性曲线如下图所示：u/Vi/mA正向特性

死区电压反向特性IS0μA击穿电压击穿特性反向电流硅管2CP12锗管2AP904二月2023

一般小功率硅二极管与锗二极管几个典型参数的比较：死区电压硅管——0.5V锗管——0.2V正向导通压降UF硅管——0.7V锗管——0.3V反向电流IR硅管——几μA以下锗管——几十到几百μA04二月2023PN结的正向和反向电流与外加电压的关系可以用公式表示为：反向饱和电流温度的电压当量，常温下：

UT

=26mV当U>0时为正向特性；当U<0时为反向特性。04二月2023

2.二极管的主要参数

（1）最大整流电流IFM——指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。（2）最高反向工作电压URM——指二极管不击穿时所允许加的最高反向电压，URM通常是反向击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。（3）最大反向电流IRM——在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流，一般很小，但受温度影响很大。（4）最高工作频率fM——指二极管保持单向导电性时外加电压的最高频率。04二月20231.2.3

二极管的应用电路举例

二极管是电子电路中常用的半导体器件，利用其单向导电性和正向压降很小的特点，可应用于整流、检波、钳位、限幅、开关以及元件保护等各项工作。

1.整流——整流就是利用二极管的单向导电特性将交流电变成单方向脉动的直流电的过程，这部分内容将在第6章作详细介绍。

04二月2023

2.钳位

——利用二极管正向导通时压降很小的特性，可以组成钳位电路，如下图所示。

图中若A点UA=0，二极管D正偏导通，压降很小，所以F点的电位也被钳制在0V左右，即UF近似为0。04二月2023

3.限幅

——利用二极管正向导通后两端电压很小且基本不变的特性可以构成各种限幅电路，使输出电压限制在某一电压值以内。下图为一正、负对称限幅电路:ui=10sinωt（V），US1=US2=5V。可见，如忽略二极管正向导通压降，输出被限制在大约±5V之间。OtuO/V55-10ui

/VOt105-504二月2023

4.元件保护

——在电子线路中，经常利用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害。下图所示电路是利用二极管来保护开关S的保护电路。

当开关S断开时，由于电流的突然中断，电感L将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势eL，eL与U叠加作用于开关S上，使开关S的寿命缩短。

二极管D的接入，使eL通过二极管产生放电电流以释放能量，从而保护了开关S。04二月2023

除以上用途外，还有许多特殊结构的二极管，例如发光二极管、热敏二极管等，随着半导体技术的发展，二极管的应用范围越来越广，其中发光二极管是应用较多的一种二极管。

不同用途、结构的二极管普通二极管整流二极管稳压二极管发光二极管光电二极管检波二极管等等……04二月20231.2.4

发光二极管及其应用

1.发光二极管的符号及特性

发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED（LightEmittingDiode）。

和普通二极管相似，LED也是由一个PN结组成的，当正向导通时可以发出一定波长的可见光，常有红、绿、黄等颜色。也有可以发出红外光等不可见光的发光二极管。04二月2023

发光二极管具有驱动电压低、工作电流小、具有很强的抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛应用于信号指示等电路中。

一般LED的工作电流为几十mA，正向导通压降为（12)V，安全使用电压应选择5V以下。04二月2023

2.发光二极管的应用

（1）做电源通断指示电路。但要保证LED的正向工作电流在规定的范围之内，具体型号LED的工作电流可查阅手册等资料。供电电源可以是直流也可以是交流04二月2023

（2）发光数码管。——发光数码管是电子技术中的主要显示器件，常用的七段显示数码管是用LED经过一定的排列组成的，如图所示。1404二月2023

七段显示数码管有共阳极和共阴极之分，如下图所示。

共阳极LED分布

共阴极LED分布04二月20231.3

晶体管主要要求：

1.了解半导体三极管的结构、类型与参数3.掌握半导体三极管的电流分配关系4.掌握半导体三极管的特性曲线的含义2.理解三极管的放大作用5.了解复合三极管的概念与意义04二月2023认识三极管04二月2023

1.三极管的结构1.3.1

晶体管的结构和类型NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区NPN型ECB

三区三极两结集电区基区发射区集电极Collector基极Base发射极Emitter集电结发射结—集电区—发射区PPNPNP型04二月2023

三极管的分类按材料分按频率特性分按功率分硅管锗管高频管低频管大功率管中功率管小功率管按结构分NPN管PNP管04二月2023

下面以NPN管为例讨论三极管的电流分配与放大作用，所得结论一样适用于PNP三极管。1.3.2晶体管电流分配和放大作用注意：三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏04二月2023使发射结正偏使集电结反偏1.发射区向基区发射电子，形成发射极电流IE的主要成份。IE2.基区中电子的复合形成基极电流IB的主要成份。IB3.集电区收集电子形成集电极电流IC的主要成份。IC04二月2023综上所述，得到三极管的电流分配关系：（1）IE=IC+IB（2）IC=βIB（3）IE=IC+IB=（1+β

）IB≈IC

三极管中还有一些少子电流，比如ICBO

，通常可以忽略不计，但它们对温度十分敏感。04二月20231.3.3晶体管的特性曲线

因为三极管有三个电极，因此，分别将三极管的三个电极作为输入端、输出端和公共端，有三种不同的三极管电路的组成方式。根据公共电极的不同，分别叫做共发射极电路、共集电极电路和共基极电路。04二月2023

下图是测试三极管共发射极电路伏安特性曲线的电路图：04二月2023

1.输入特性曲线

uCE≧1V，集电结反偏，电场足以将发射区扩散到基区的载流子吸收到集电区形成IC，uCE再增大曲线也几乎不变死区电压与导通电压UBE硅管分别约为0.5V和0.7V锗管分别约为0.1V和0.3V04二月2023（1）截止区——iB=0曲线以下的区域：

iC=ICEO≈

0，两结均反偏，三极管各电极电流均约等于0，所以可以等效为断开的开关；

2.输出特性曲线

放大区截止区ICEO饱和区（2）放大区——在iB=0的特性曲线上方，近似平行于横轴的曲线族部分：

iC基本不随uCE变化仅受iB控制，iC=βiB，发射结正偏、集电结反偏，相当于受控电流源。

uCE

/ViC

/mA100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O246810252015105（3）饱和区——输出特性曲线近似直线上升部分：三极管饱和时管压降uCE很小，叫做饱和压降uCES，两结均正偏，相当于闭合开关。

04二月20231.3.4晶体管的主要参数1.电流放大系数交流电流放大系数直流电流放大系数

交流、直流电流放大系数的意义不同，但在输出特性线性良好的情况下，两个数值的差别很小，一般不作严格区分。常用小功率三极管的β约为20~150左右。

04二月20232.极间反向电流集、基间反向饱和电流集、射间反向饱和电流（穿透电流）

测试电路测试电路反向电流受温度影响大越小越好04二月202304二月20231.3.5复合晶体管

复合三极管是把两个三极管的引脚适当地连接起来等效为一个三极管，从而获得对电流放大系数等参数的改变。04二月2023

可以证明：复合管的电流放大系数近似为两个管子电流放大系数的乘积，但复合管的穿透电流也较大。04二月20231.4

场效应管主要要求：

1.了解场效应管的结构、特点2.了解场效应管的原理、特性曲线与参数

场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体三极管，是利用一种载流子导电的单极型器件。特点：具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点，制作工艺简单、便于集成。04二月2023

1.N沟道增强型绝缘栅场效应管MOSFET的结构

(MentalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)1.4.1

绝缘栅场效应晶体管的原理和特性P型硅衬底S—源极SourceG—栅极Gate

D—漏极DrainDSGSiO2绝缘体金属铝N沟道DGS

还有多种其他类型的