第14章半导体器件

半导体的特性1本征半导体2杂质半导体3第14章半导体器件14.1半导体的导电特性能力目标情感目标知识目标1.了解半导体的概念

2.掌握半导体的导电特性3.掌握本征半导体和杂质半导体的区别1.培养学生善于观察的能力。2.培养学生的分析能力、归纳总结能力。1.培养学生的协作意识和创新意识。2.增强学生学习专业知识的信心。教学目标本征激发与杂质半导体重点难点两种载流子重点/难点

自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：

导体、半导体和绝缘体。半导体材料：硅，锗独特的导电特性1.热敏性：T2.光敏性：光照

3.掺杂性：掺入微量元素导电能力导电能力导电能力+14

硅原子结构

+4简化模型完全纯净的具有晶体结构的半导体。本征半导体4价元素

4

4

4

4

4

4晶体结构——纯净半导体原子排列整齐共价键结构——两个相邻原子共有一对价电子,价电子受相邻原子核的束缚,处于相对稳定状态。共价键共价键结构

4

4

4

4

4

4受热或光照后，某些价电子挣脱束缚成为自由电子。本征激发共价键结构

4

4

4

4

4

4本征激发显然，自由电子带负电，可以参与导电，称为载流子共价键结构

4

4

4

4

4

4自由电子共价键结构

4

4

4

4

4

4自由电子空穴本征激发两种载流子：

自由电子空穴

成对出现共价键结构

4

4

4

4

4

4电子电流——电场作用下，自由电子的定向移动。自由电子电场电子电流共价键结构

4

4

4

4

4

4实质上是电子递补空穴电流空穴电流——电场作用下，电子依次递补空穴的运动。电场共价键结构

4

4

4

4

4

4电场空穴电流电子电流两种载流子导电，是半导体导电的重要特征，也是其与金属导体在导电机理上的本质区别。

一定温度下，激发和复合运动达到了动态平衡，于是，载流子维持一定数目。具有了一定的导电能力。可是室温下，半导体由于本征激发产生的载流子很少，所以导电能力很弱，半导体没有实际应用价值，实际应用的为杂质半导体。课外思考题空穴带电吗？本征激发产生的自由电子和空穴的数目应该是______？本征半导体带电吗？在本征半导体中，电子浓度和空穴浓度相等吗？

1、本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。

2、半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。

3、本征半导体导电能力弱，并与温度有关。

4、半导体是不带电的。

5、在本征半导体中，电子浓度和空穴浓度是相等的。总结杂质半导体N型半导体——掺入5价元素

P型半导体——掺入3价元素杂质半导体——在本征半导体中掺入适量的杂质元素(非半导体元素)。5价元素——磷、砷等。3价元素——硼、镓、銦等。N型半导体

4

4

4

4

4

5+5

多一个价电子掺杂N型半导体

4

4

4

4

4

5多子-------电子少子-------空穴+5

掺杂本征激发

4N型半导体示意图电子正离子P型半导体

4

4

4

4

4

3多一个空穴+3

掺杂多子-------空穴少子-------电子P型半导体

4

4

4

4

4

3+3

P型半导体示意图负离子空穴掺杂本征激发

1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc

4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba课堂练习

1.在N型半导体中，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。在P型半导体中，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。

2.杂质离子虽然带电荷，但不能移动。

3.杂质半导体中虽然有一种载流子占多数，但整个半导体仍呈电中性。

4.杂质半导体的导电性能主要取决于多子浓度，多子浓度主要取决于掺杂浓度。少子浓度主要与本征激发有关。

5.少子主要有本征激发产生，因此少子对温度敏感，其大小随温度的升高而增大。总结1.PN结的形成

在一块完整的本征硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，在这两种杂质半导体的交界面附近就会形成一个具有特殊性质的薄层（正离子或负离子的区域），这个特殊的薄层就是PN结14.2PN结及其单向导电性PN结的形成

N区P区负离子空穴正离子电子正负电荷中和，不带电空间电荷区（耗尽层）内电场P区N区扩散运动——浓度差造成运动。复合——自由电子填补空穴，两者同时消失的现象。漂移运动——载流子在电场力作用下的运动。多子扩散运动少子漂移运动暴露了失去电子的正离子暴露了失去空穴的负离子

第二节PN结空间电荷区（耗尽层）内电场P区N区浓度差→多子扩散运动→复合→产生内电场→阻碍多子扩散→有利少子漂移运动→扩散运动和漂移运动达到动态平衡→形成一定宽度PN结多子扩散运动少子漂移运动PN结

PNPN结:

P区和N区交界面处形成的区域空间电荷区:

区内只剩离子,带电耗尽层:

区内载流子少名称内电场电位差约为零点几伏宽度为几微米~到几十微米外加正向电压——导通外加反向电压——截止P接“+”N接“-”P接“-”N接“+”2.PN结的单向导电性内电场RE外电场P区N区ID外加正向电压外电场抵削内电场,有利于多子的扩散很大限流,防止电流太大PN结多子中和部分离子,使空间电荷区变窄REP区N区I反外加反向电压外电场增强内电场,有利于少子的漂移很小PN结内电场外电场少子背离PN结移动，,空间电荷区变宽理想状态下，我们忽略反向电流，认为PN结正向偏置导通，反向偏置截止——PN结的单向导电性。3.PN结的击穿特性

反向击穿——当加于PN结两端的反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。电击穿——若反向电压下降到击穿电压以下后，其性能可恢复到原有情况，即这种击穿是可逆的，称为电击穿。热击穿——若反向击穿电流过大，则会导致PN结结温过高而烧坏，这种击穿是不可逆的，称为热击穿。讨论题

反向击穿后，PN结就损坏了吗？阳极阴极+-符号3.分类：按材料硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型1.构成：2.符号：PN二极管的实质是PN结，所以它一定具有单向导电性14.3

半导体二极管14.3.1基本结构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14.3.2伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。14.3.3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。2.

反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.

反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。二极管电路分析举例

定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，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。ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例1：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––电路如图，求：UAB

V阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例2：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例3:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–14.4

稳压二极管1.符号

UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，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。_+UIO3.主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加符号发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几~几十mA光电二极管发光二极管14.5

半导体三极管14.5.1基本结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大以NPN型三极管为例讨论图三极管中的两个PN结cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不具备放大作用14.5.2电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏

PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

2.各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。

实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化.3.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。3.三极管内部载流子的运动规律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

ICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数集－射极穿透电流,温度ICEO(常用公式)若IB=0,则

ICICE014.5.3特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：

1）直观地分析管子的工作状态

2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.输入特性特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。饱和区截止区（3）饱和区

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。14.5.4主要参数1.电流放大系数，直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的

值在20~200之间。例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。在以