第9章 半导体器件

第二部1章半导体二极管和三极管第1章半导体二极管和三极管§1.1半导体的基本知识§1.2PN结与二极管§1.3半导体三极管§1.4场效应管教学要求：理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和放大作用；了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和伏安特性曲线，理解主要参数的意义；会分析含有二极管的电路；了解场效应管特性§1.1半导体的导电性能导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的三个特性

在加热或光照加强时，半导体的阻值显著下降，导电能力增强类似于导体。半导体具有热敏特性和光敏特性是由半导体的内部结构（图1-1）所决定的。1.热敏特性和光敏特性半导体的三个特性

往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。2.掺杂性1.1.1本征半导体

纯净的半导体晶体称为本征半导体1.本征半导体的共价键结构（硅）：硅原子外层轨道4个价电子，它与相邻原子靠得很近，使价电子成为两个原子公有，形成共价键结构。共用电子对2.本征半导体的导电机理1.载流子、自由电子、空穴

载流子：运载电荷的微粒．在绝对温度T=0K（开尔文）和没有外界激发的前提下，本征半导体内的价电子全部被束缚在共价键中，不能自由运动，被称为束缚电子，不能参与导电。T光照共价键中的某些价电子获得能量自由电子原共价键中的相应位置留下空位空穴1.1.2杂质半导体半导体的导电能力取决于载流子的数目，本征半导体受热激发只产生少量电子空穴对，载流子浓度很低，外加电场作用，电流极其微弱；若在本征半导体中掺入微量杂质，则导电性能大为改观，掺入百万分之一的杂质，载流子浓度增加1百万倍。

N型半导体：在纯净半导体中掺入微量的五价元素（如磷）后形成．

P型半导体：在纯净半导体中掺入微量的三价元素（如硼）后形成。掺杂的本证半导体的电流形成过程1.N型半导体1.N型半导体

因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。2.P型半导体2.P型半导体

因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体与N型半导体区别N型半导体在半导体中掺入少量五价的磷元素，在和半导体原子组成共价键时，就多出一个电子。这种电子为多数载流子的半导体叫电子型半导体，简称N型半导体。P型半导体在半导体里掺入少量三价的硼元素，和外层电子数是四个的硅或锗原子组成共价键时，就自然形成一个空穴，这就使半导体中的空穴载流子增多，叫空穴型半导体，简称P型半导体。§1.2PN结与二极管1.PN结的形成

在一块纯净的半导体晶片上，采用特殊的掺杂工艺，在两侧分别掺入三价元素和五价元素。一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体。

–––––––––P型+++++++++N型浓度差别多子扩散空间电荷区当扩散和漂移达到动平衡，即形成PN结。内电场内电场少子漂移+++++++++–––––––––+++–––P型区N型区空间电荷区内电场V01.2.2PN结的单向导电性PN结正向偏置结构：P区加正电压、N区加负电压特点：结电阻很小，正向电流较大PN

结反向偏置结构：P区加负电压、N区加正电压特点：结电阻很高，反向电流很小PN结正向偏置－－－－++++RE内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散（正向）电流。PN结反向偏置－－－－++++内电场

外电场变厚NP_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE1.2.3

半导体二极管1.基本结构

PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a

)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b

)面接触型阴极阳极(

d

)符号D二极管导通电路EDPN结加正向电压PN结加反向电压二极管伏安特性和主要参数反向击穿电压UBRUImAuA击穿SiSiP+Si雪崩击穿齐纳击穿反向电流在一定电压范围内保持常数导通压降死区电压在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很小，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子—空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿

在晶体中运行的电子和空穴将不断的与晶体原子发生碰撞,通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来,产生自由电子-空穴对.新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子,又产生新的自由电子空穴对.如此连锁反应，使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加,流过PN结的电流就急剧增大,所以这种碰撞电离称为雪崩击穿

2.死区电压硅管0.5V，锗管0.1V1.导通压降硅0.6~0.8V，锗0.2~0.3V主要参数1.最大整流电流IOM

二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流，超过IOM二极管的PN结将过热而烧断。2.

反向击穿电压UBR

二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.最大反向饱和电流IRM

这个电流愈小二极管的单向导电性愈好。温升时，IRM增大。二极管电路分析方法导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若

V阳

>V阴或

UD为正(正向偏置)，二极管导通若

V阳

<V阴或

UD为负(反向偏置)，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。定性分析：判断二极管的工作状态二极管的应用

利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅、钳位、检波、保护、开关等。1.整流电路

整流电路是利用二极管的单向导电作用，将交流电变成直流电的电路。RLuiuouiuott限幅电路限幅电路是限制输出信号幅度的电路。数字逻辑电路电路解：（a）当A端和B端均为的3V的高电位时，DA、DB都处于正向导通状态，输出3V，即为高电平。（b）当A端为的低电位，B端为的高电位时，DA两端的电位差较DB大比优先导通，输出为0V，为低电平。（c）当A端和B端均为的低电位时，都处于正向导通状态，输出为0V，即为低电平。[例1-3]电路如图所示，它有两个输入端（A、B）和一个输出端（L），令A、B两端对应三组不同的输入电位值：（a）；（b）；（c）。试求L点对应的电位并分析输入输出的数字逻辑关系。检波电路检波电路是把信号从已调波中检出来的电路。§1.2.4特殊二极管2.伏安特性

稳压管正常工作时加反向电压

稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。1.符号

_+UIZIZmaxUZIZUZI曲线越陡，电压越稳定。稳压二极管稳压二极管的参数（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin（2）电压温度系数U（%/℃）（3）动态电阻（1）稳定电压UZ:分散性（5）最大允许功耗[例1-4]

设计一个稳压二极管的稳压电路。已知输入电压，要求负载流，输出电压。解图1-16是一个简单的利用稳压二极管实现的稳压电路。因为要求输出电压U0=4.7V，也就是说选用稳压二极管的稳压值为Uz=4.7V。假设从器件手册中查到该管的稳定电流Iz=10mA，则因此，可以取标称值为的电阻。图示电路可以获得稳压值为的输出。发光二极管、光电二极管、光电耦合器1.发光二极管：有正向电流流过时，发出一定波长范围的光。2.光电二极管：光照增强时，外加反偏压作用下，反向电流增加。3.光电耦合器：如果把发光二极管和光电二极管组合构成二极管型光电耦合器件。§1.3半导体三极管三极管在模拟电子电路中其主要作用是构成放大电路★三极管的结构结构：三个区、二个结、三个极。发射结集电结BEC发射极基极集电极NPN型NNPNPN型１半导体三极管的类型NPN（硅管多，3D系列）PNP（锗管多，3A系列）BECIBIEICBECIBIEIC注意：三极管的符号短粗线代表基极,发射极的箭头方向,即发射极电流的实际方向。２电流分配和放大原理三极管放大条件：发射结正偏，集电结反偏。1.发射区发射电子形成IE

2.基区复合电子形成IB

3.集电区收集电子形成ICIE＝IB＋IC

；IC＝βIB

IE＝IB＋IC＝IB＋βIB＝(1＋β)IB

三极管的电流放大作用的实质是以很小的IB控制较大的IC1.3.3特性曲线（共射连接）1.输入特性曲线IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VUCE=0VUCE=0.5V

输入特性曲线——

iB=f(vBE)

vCE=const

输出特性曲线——

iC=f(vCE)

iB=const输出特性定义：IB为常数,①放大区条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：IC＝IB

，IC仅由IB决定。②截止区条件：两个PN结均反偏。特点是IB＝0、IC＝ICEO≈0，无放大作用。③饱和区条件：两个PN结均正偏。特点：UCE≤1V，有IB和IC

，但IC≠IB。IC已不受IB控制，无放大作用。例题例：

=50，USC

=12V，RB

=70k，RC

=6k当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE提示：据三极管三个区的特点判断1.电流放大系数共射：若IC>>ICEO

则交流放大系数用表示三极管的主要参数vCE(V)iC(A)4321024682.31.5ICIBQ100806040iB=20(A)若满足条件：ICEO很小时，可忽略；管子工作在线性区。共基：（2）穿透电流ICEO（3）集电极最大允许电流ICM（4）集电极最大允许耗散功率PCM

(5)反向击穿电压U(BR)CEO1.3.5三极管的微变等效电路1.分析的前提：小信号在小信号的作用下，工作在恒流区的三极管可以用一个如图（a）线性有源两端口网络来等效．小信号时近似为线性输入端等效为电阻输出端等效为恒流源1.4场效应管三极管称电流控制元件；场效应管称电压控制元件。场效应管具有输入电阻高（最高可达108Ω）、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点。1.4.1

绝缘栅场效应管（1）结构与符号（2）伏安特性和主要参数使场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压UGS（th），称为开启电压。

当UGS的负值达到某一数值UGS（off）时，导电沟道消失，这一临界电压UGS（off）称为夹断电压。场效应管的主要参数：增强型MOS管的开启电压UGS（th），耗尽型MOS管的夹断电压UGS（off）低频跨导转移特性曲线1.4.2

结型场效应管结构2．工作原理使ID≈0时的UGS反偏电压，称为该