下册第1章半导体器件课件

一、电子技术的发展

电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“无孔不入”，应用广泛！广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床交通：飞机、火车、轮船、汽车军事：雷达、电子导航航空航天：卫星定位、监测医学：γ刀、CT、B超、微创手术消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统绪论1904年电子管问世1947年晶体管诞生1958年集成电路研制成功电子管、晶体管、集成电路比较

电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管→半导体管→集成电路半导体元器件的发展1947年贝尔实验室制成第一只晶体管1958年集成电路1969年大规模集成电路1975年超大规模集成电路

第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。二、模拟信号与模拟电路1.电子电路中信号的分类数字信号：离散性

模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。2.模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。其它模拟电路多以放大电路为基础。“1”的电压当量“1”的倍数任何瞬间的任何值均是有意义的三、电子信息系统的组成模拟电子电路数字电子电路（系统）传感器接收器隔离、滤波、放大运算、转换、比较功放模拟-数字混合电子电路模拟电子系统执行机构第1章半导体器件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§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。半导体的导电特性半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：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）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子1.1.1本征半导体

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共有，形成共价键结构。本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。1.1.2杂质半导体

在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体。根据掺杂的不同，杂质半导体分为：

N型半导体：在纯净半导体中掺入微量的五价元素（如磷、砷）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。

N型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

在本征半导体中掺入微量的五价元素

在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。思考：N型半导体中的自由电子多于空穴P型半导体中的空穴多于自由电子是否N型半导体带负电，而P型半导体带正电？不是。当原子没有被激发时，价电子被共价键束缚得很紧，此时晶体没有导电能力；而被激发形成了N或P型导体以后，载流子的多少，只表示导电能力的大小，对外并不显电性。所以我们应该注意：不论N型，P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体是不带电的。当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型转型为P型；杂质半导体的转型：当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转型为N型问题：N型半导体可否转成P型？或是P型半导体能否转成N型？通过特殊的掺杂工艺，使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区，交界处将形成一个特殊的薄层，称为PN结。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN结的形成§1.2PN结与二极管同样，在浓度差的作用下，空穴从P区向N区扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------P区一侧失去空穴留下不能移动的负离子，该离子也不能参与导电。在交界面P区附近留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子，称为空间电荷区。空间电荷区N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN结空间电荷区N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------这个空间电荷区就是PN结。内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，即PN结阻碍多子的扩散，这是一方面；N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------P向N区扩撒的空穴在空间电荷区将受到内电场的阻力N向P区扩撒的自由电子也将受到内电场的阻力此时少数载流子在内电场作用下有规则的运动，即PN结另一方面还要加速少子的漂移运动N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN结一方面阻碍多子的扩散，另一方面内电场对与少数载流子则可推动它们越过空间电荷区，进入对方当N区和P区的掺杂浓度不等时：离子密度大空间电荷区的宽度较窄离子密度小空间电荷区的宽度较宽高掺杂浓度区域用N+表示++++++______PN+1.2.2PN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：结电阻很大，反向电流很小PN结最基本的特性：单向导电性即外加正向电压，PN结导通；外加反向电压，PN结截止。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++PN结上加正向电压，+接P，-接N。外电场与内电场方向相反，破坏扩散与漂移的平衡------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++内电场被削弱PN结变窄多子扩散增加P区的空穴受外电场影响进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，N区的自由电子也进入抵消一部分正空间电荷外电场越强，正向电流越大（P至N），PN结呈现低阻、导通状态------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++内电场被削弱PN结变窄多子扩散增加正向电流（由P流向N区的电流），包括空穴电流和电子电流空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们运动的方向相反所以电流一致，外电源不断向半导体提供电荷，使电流得以维持。内电场增强PN结变宽不利多子扩散有利少子漂移------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++2．PN结反向偏置

外电场和内电场方向一致，内电场加强，使多子扩散难于进行，加强了漂移运动。PN结呈现高阻、截止状态。此电流称为反向饱和电流，记为IS。外电场作用下，N中的空穴越过PN结进入P区，P区自由电子越过PN结进入N区，在电路中形成反向电流（N流向P），少数载流子数量少，所以反向电流不大，此时PN结反向电阻很高。由于少子是靠热能激发产生，所以温度越高反向电流越大。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++因此，少子浓度度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎无关PN结具有单向导电性PN结变窄

P接正、N接负外电场IF内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–正向偏置时导通，正向电阻很小

PN结具有单向导电性外电场

P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+反向偏置时截止，反向电阻很大二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管10.2.2

半导体二极管

一、二极管的组成点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。二极管导通电路EDPN结加正向电压PN结加反向电压半导体二极管的类型（1）按使用的半导体材料不同分为（2）按结构形式不同分硅管锗管点接触型平面型2

半导体二极管的伏安特性硅管00.8反向特性正向特性击穿特性00.8反向特性锗管正向特性uDiD(1)

整个正向特性曲线近似地呈现为指数形式。(2)

有死区（iD≈0的区域）<1>．正向特性死区电压约为硅管0.6-0.7V锗管0.2-0.3VOiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD(3)导通后（即uD大于死区电压后）管压降uD

约为硅管0.6~0.7V锗管0.2~0.3V取管压降uD

硅管0.7V锗管0.2VOiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD即uD升高，iD急剧增大<2>．反向特性

（1）当时，IS硅管<0.1A锗管几十到几百AOiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD反向饱和电流IS硅管00.8反向特性锗管正向特性(2)

当时反向电流急剧增大击穿的类型：根据击穿可逆性分为电击穿热击穿二极管发生反向击穿OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD<3>

半导体二极管的主要电参数1.最大整流电流IF2.反向击穿电压U(BR)管子长期运行所允许通过的电流平均值。

二极管能承受的最高反向电压。OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD4.反向饱和电流Is3.最高允许反向工作电压UR为了确保管子安全工作，所允许的最高反向电压是击穿电压的1/2倍。室温下加上规定的反向电压测得的电流。电流越小说明管子的单向导电性越好。OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uDUR=（1/2~2/3）U(BR)反向击穿电压5.正向电压降UD6.最高工作频率fM指通过一定的直流测试电流时的管压降。

当工作频率过高时，其单向导电性明显变差。OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD二极管的单向导电性

1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。

2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.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。

4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。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.整流电路书例1.1

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。书例1.2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为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

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。D6V12V3kBAUAB+–因为，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V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2:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UABBD16V12V3kAD2UAB+–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3：二极管的用途：

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++––§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。稳压二极管在电路中稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用。UIIZIZmaxUZIZUZ稳压二极管的主要参数(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。稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax——方程1要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R和输入电压ui的正常值。令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：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。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§1.3

半导体三极管基本结构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型三极管半导体三极管图片半导体三极管图片半导体三极管的类型NPN（硅管多）PNP（锗管多）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。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

UBE>0UBC<0BECPPNEBRBECRCUBE<0UBC>0VC>VB>VEVE>VB>VC2.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，是CCCS器件。BECNNPEBRBECRC3.三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

ICICE0静态直流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（共射电路）输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++特性曲线1.

输入特性特点:非线性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)204060800.40.8UCE1VOUCE=0VRBICEBIBECRCERBEBEBC相当于二极管的伏安特性2.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。集电极电流集电极-发射极电压1IB=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。主要参数1.电流放大系数有，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穿透电流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，电流放大20~200倍。例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1、Q2点，直流放大系数为：交流放大系数：2.集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成