电子技术第一章(半导体技术)

第一章半导体二极管和三极管§1－0半导体器件的种类及发展DiodeandDiodeCircuits§1－2PN结及其单向导电性§1－3半导体二极管§1－4稳压管§1－5半导体三极管§1－1半导体的基本知识现在是1页\一共有107页\编辑于星期日

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1-0半导体器件的种类及发展１、种类二极管（Diode）三极管（BJT）集成电路（IC）[IntegratedCircuit]场效应管（MOSFET）现在是2页\一共有107页\编辑于星期日1)1906年电子管发明（进入电子时代）２、发展2)1948年晶体管问世（半导体器件）3)60年代集成电路出现(进入信息时代)现在是3页\一共有107页\编辑于星期日(1)第一代电子器件——电子管（真空管）1906年，福雷斯特（LeeDeFordst）等发明，可实现整流、稳压、检波、放大、振荡等多种功能电路。电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。现在是4页\一共有107页\编辑于星期日(2)第二代电子器件——晶体管（半导体三极管）1948年，肖克利（W.Shckly）等发明。比真空管的体积更小，重量更轻，功耗更低，在许多领域已经取代了真空管。现在是5页\一共有107页\编辑于星期日(3)第三代电子器件——集成电路(IC)1958年，基尔白等设想将管子、元件和线路集成封装在一起，三年后，集成电路实现了商品化。现在是6页\一共有107页\编辑于星期日现在是7页\一共有107页\编辑于星期日§1-1半导体的基本知识导体绝缘体半导体（Semiconductor）导体、绝缘体、半导体很容易传导电流的物质，如：铜、铝等几乎不能传导电流的物质，如：塑料、橡胶等其导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗以及大多数金属氧化物和硫化物特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等现在是8页\一共有107页\编辑于星期日①有些半导体对温度的反映特别灵敏，环境温度增高时，它的导电能力要增强很多，利用该特性可作成热敏元件、半导体温度传感器等；②有些半导体（如硫化镉）受到光照时，它的导电能力变得很强，当无光照时，有变得象绝缘体那样不导电，利用该特性作成了各种光电元件、光敏元件；③如果在纯净的半导体中渗入微量的某种杂质后，它的导电能力增加十万倍乃至几百万倍。利用该特性就作成了各种不同用途的半导体器件。半导体材料受到了人们的特别的重视半导体为何有如此悬殊的导电特性呢？现在是9页\一共有107页\编辑于星期日一、本征半导体(IntrinsicSemiconductor)——纯净无掺杂的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。原子核价电子现在是10页\一共有107页\编辑于星期日硅、锗材料具有晶体结构，所以半导体又称为晶体，这就是晶体管名称的由来。本征半导体是指完全纯净的，具有晶体结构的半导体。Si，Ge均为4价元素。现在是11页\一共有107页\编辑于星期日

(1)共价键(covalentbond)结构空间排列有序的晶体(crystal)硅原子(Si)

(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图现在是12页\一共有107页\编辑于星期日SiSiSiSi现在是13页\一共有107页\编辑于星期日（2）本征激发a）绝对零度，无外界激发时，不存在自由电子，相当于绝缘体；b）T或受光激发等，共价键中价电子挣脱束缚为自由电子，具有导电功能本无光照、热激发绝缘本导电光、热激发温度对半导体器件性能影响很大现在是14页\一共有107页\编辑于星期日价电子受到热或光的激励(共价键的价电子被束缚，较稳定)时，有少量价电子能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在原来的位置上留下一个空位——称为空穴。

(3)空穴和自由电子的形成SiSiSiSi自由电子空穴现在是15页\一共有107页\编辑于星期日空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷的运动。空穴带正电现在是16页\一共有107页\编辑于星期日自由电子SiSiSiSiSiSiSiSiSi························空穴空穴和自由电子总是成对出现的空穴电流电子电流半导体中同时存在着电子导电和空穴导电在一定温度下，载流子（自由电子和空穴）的产生和复合达到动态平衡，维持一定数目。现在是17页\一共有107页\编辑于星期日自由电子和空穴——称为载流子（Carrier)(运载电流的粒子)。本征半导体中，自由电子和空穴成对产生，不断复合，(recombination)整个半导体对外呈电中性，不显示电性。

温度越高，载流子的数目就越多，导电性能也就越好。本征半导体特点：电子浓度=空穴浓度载流子少，导电性差，温度稳定性差！现在是18页\一共有107页\编辑于星期日

杂质半导体(ExtrinsicSemiconductor)在本征半导体中掺入某些少量杂质，使其导电能力大大增加。二、N型半导体和P型半导体现在是19页\一共有107页\编辑于星期日1、N型半导体(N-typesemiconductor)

当磷原子给出了多余价电子后，磷原子本身失去电子而成为正离子。但在产生自由电子的同时，并不产生空穴，这不同于本征半导体。PSiSiSi+自由电子数远大于空穴数现在是20页\一共有107页\编辑于星期日这样的一种半导体将以自由电子导电为主，所以自由电子称为多数载流子（简称多子），而空穴称为少数载流子（简称少子）。这种在本征半导体中掺入微量五价元素，使自由电子浓度大大增加的半导体称为N型半导体（或称电子半导体）。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋·············现在是21页\一共有107页\编辑于星期日2、P型半导体（空穴半导体）(P-typesemiconductor)在本征半导体中掺入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。

当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴。BSiSiSi现在是22页\一共有107页\编辑于星期日

但在产生空穴的同时并不产生新的自由电子，只是原来的硅晶体本身仍会产生少量的电子空穴对。此时空穴数远大于自由电子数，在这种半导体中以空穴导电为主，称空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。同时称这种在本征半导体中掺入微量三价元素，使空穴浓度大大增加的半导体为P型半导体（空穴半导体）。－－－－－－－－－－－－现在是23页\一共有107页\编辑于星期日杂质对半导体导电性的影响——载流子数目剧增！

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3现在是24页\一共有107页\编辑于星期日一、PN结的形成§1-2PN结及其单向导电性＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋··········－－－－－－－－－－－－PN·

N型半导体中有较多的自由电子，代表失去一个电子的磷离子，带正电。+－P型半导体中有较多的空穴，代表得到一个电子的硼离子。现在是25页\一共有107页\编辑于星期日随着P型区大批空穴扩散到N区与电子复合,N区大批电子扩散到P区中与空穴复合,使交界面附近只留下不能移动的正负电荷。正负电荷相互作用，形成一个电场，方向N区指向P区,由于这个电场不是外加电压形成的，故称为内电场(built-inpotentialbarrier)。内电场＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋··········－－－－－－－－－－－－PN·－··现在是26页\一共有107页\编辑于星期日

这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷,它们集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区(Spacechargeregion)

，这就是PN结。空间电荷区在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了,因此空间电荷区有时又称为耗尽层(Depletionlayer)。它的电阻率很高，扩散越强，空间电荷区越宽。内电场＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋··········－－－－－－－－－－－－PN－现在是27页\一共有107页\编辑于星期日在内电场作用下，多子扩散(Diffusion)受阻，而这个电场有利于N区的少数载流子空穴向P区漂移(Drift)、P区的少数载流子电子向N区漂移运动，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反，当扩散和漂移作用相互抵消时，便达到动态平衡。复合阻止多子扩散，增强少子漂移PN结（耗尽层，空间电荷区）结合（浓度差）多子扩散内电场动态平衡现在是28页\一共有107页\编辑于星期日两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结两种运动：扩散Diffusion漂移Drift（浓度差）（电场力）现在是29页\一共有107页\编辑于星期日浓度差

多子扩散空间电荷区(杂质离子)内电场促少子阻多子漂移扩散动态平衡PN结形成过程：现在是30页\一共有107页\编辑于星期日二、PN结的单向导电性PN结的基本特性——单向导电性只有在外加电压时才显示出来1、外加正向电压——P接电源正极，N接电源负极。正方向接法：PN结处导通状态，导通时呈低阻

PN内电场方向外电场方向现在是31页\一共有107页\编辑于星期日

(1)PN结正偏(UP>UN)时外加的正向电压削弱了内电场。——导通PN结呈现低阻性,IF大

现在是32页\一共有107页\编辑于星期日2、外加反向电压——N区接E正，P接负反向电压：PN结处于截止状态，截止时呈高阻本征激发产生的少子受温度影响很大，故温度对反向电流影响很大。PN内电场方向外电场方向现在是33页\一共有107页\编辑于星期日

(2)PN结反偏(UP<UN)时外加的反向电压增强了内电场——截止PN结呈现高阻性，反向饱和电流IR小

现在是34页\一共有107页\编辑于星期日1、不加电阻R是否可以？2、如何用万用表判断PN结的P端、N端?PN结加正向电压时，PN结处于导通状态，呈现电阻很低；PN结加反向电压时，PN结处于截止状态，呈现电阻很高。这就是PN结的单向导电特性结论：现在是35页\一共有107页\编辑于星期日

§1-3半导体二极管类型结构和符号主要参数典型应用型号命名规则特殊二极管伏安特性现在是36页\一共有107页\编辑于星期日现在是37页\一共有107页\编辑于星期日现在是38页\一共有107页\编辑于星期日现在是39页\一共有107页\编辑于星期日现在是40页\一共有107页\编辑于星期日一、类型结构和符号材料：硅、锗二极管=PN结+引线+管壳整流二极管

检波二极管

稳压二极管

光电二极管

开关二极管

按用途

阴极阳极D电流方向二极管的符号按结构

点接触型

面接触型和平面型现在是41页\一共有107页\编辑于星期日(1)点接触型—(a)点接触型点接触型二极管（一般为锗管），它的PN结结面积很小（结电容很小），因此不能通过较大电流，但其高频性能好，故一般适用于高频和小功率的工作，也用作脉冲数字电路里的开关元件。现在是42页\一共有107页\编辑于星期日(c)平面型(3)平面型—(2)面接触型—(b)面接触型面接触型二极管（一般为硅管），PN结结面积大（结电容大），故可承受较大电流，适用于整流，不宜用作于高频电路。2CP1面接触型硅二极管现在是43页\一共有107页\编辑于星期日阴极阳极D旧符号新符号阳极(Anode)阴极(Cathode)标记Diode现在是44页\一共有107页\编辑于星期日二、伏安特性死区电压反向饱和电流U（BR）正向反向I（mA）U（V）Si0.5VGe0.15V现在是45页\一共有107页\编辑于星期日IS:反向饱和电流UT=kT/q:温度的电压当量室温（T=300K）下，UT=26mV1、理想二极管方程(PN结方程)非线性器件！理想二极管伏安特性曲线I（mA）U（V）-Is现在是46页\一共有107页\编辑于星期日实际D与理想D两点区别：2、实际二极管伏安特性1)正向(U>0)存在死区电压硅：Uth=0.5VThreshold锗：Uth=0.15V

阈限

2)反向(U<0)存在击穿电压

UBR(Breakdown)

电击穿（雪崩、齐纳）热击穿理想实际现在是47页\一共有107页\编辑于星期日三、主要参数1、最大整流电流IOM二极管长期工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流，当电流超过允许值时，PN结将过热而使管子损坏。2、反向工作峰值电压URWM一般为反向击穿电压的一半或三分之二，确保不被击穿。3、反向峰值电流IRM二极管上加URWM时的反向电流值，该值大，说明二极管的单向导电性能差。现在是48页\一共有107页\编辑于星期日

二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性，例如用于整流、检波、开关、限幅、钳位等。判断二极管在电路中工作状态的方法将二极管断开,求出二极管阳极与阴极之间所承受的电压,对于理想二极管来说,如果求出的电压大于零,则说明该二极管处于正向偏置而导通;如果该电压小于零,则说明该二极管处于反向偏置而截止。如果电路中有两个或两个以上的二极管,则首先断开所有二极管,求出各管所承受的电压,其中承受正向电压最大者将优先导通,对于理想二极管来说,导通时其正向导通压降为零,可将其短路,然后再用上述方法判断其余二极管的情况。现在是49页\一共有107页\编辑于星期日已知，画的波形。

思考：电阻两端电压的波形？

RDE例15510解现在是50页\一共有107页\编辑于星期日将D开路，求其两端开路电压U故D导通，Uo=0V

已知D为理想二极管，求Uo=？

+4V例2解若U>0，则D导通；反之D截止。+4V现在是51页\一共有107页\编辑于星期日若E=－4V，求Uo=？

故D截止，Uo=

－2V例3+解+-现在是52页\一共有107页\编辑于星期日若将E改为ui，求uo+例4解现在是53页\一共有107页\编辑于星期日将两个二极管全部断开，求开路电压求输出电压UoD1D2+++9V3V6V+++9V3V6V++U1U2例5解现在是54页\一共有107页\编辑于星期日+++9V3V6V++U1U2+++9V3V6V+U1现在是55页\一共有107页\编辑于星期日+++9V3V6V+U1现在是56页\一共有107页\编辑于星期日求F的电位VF，二极管的正向电位降忽略A端电位比B端电位高，DA优先导通，则当DA导通时，DB上所加为反向电压截止例6解现在是57页\一共有107页\编辑于星期日iou1uaTbDRLuobu1uaTDRLuo例7解+－+－现在是58页\一共有107页\编辑于星期日将光信号转换为电信号的器件，常用于光的测量，或做光电池。光电二极管图A将电信号转换为光信号的器件，常用于显示，或做光纤传输中的光发射端。发光二极管（LED）

图B(light-emittingdiode)发射相干单色光的特殊发光二极管。主要用于小功率光电设备，如光驱、激光打印头等。激光二极管现在是59页\一共有107页\编辑于星期日1.正确理解PN结。2.熟练掌握器件（二极管)的外特性、主要参数。3.正确理解模型分析法及典型应用。4.会查阅电子器件手册。基本要求THEEND现在是60页\一共有107页\编辑于星期日作业：1.11.2现在是61页\一共有107页\编辑于星期日稳压管是一种特殊的半导体硅二极管，在电路中能起稳定电压的作用，故称为稳压管。

§1-4稳压管U/VI/mAIZMIZΔIZΔUZUZ现在是62页\一共有107页\编辑于星期日一、主要参数1、稳定电压UZ2、稳定电流IZ稳压管的稳定电流只是一个作为依据的参考值，但对每一个稳压管，都规定一个最大稳定电流

IZmax。稳压管在正常工作下管子两端的电压。U/VI/mAIZMIZΔIZΔUZUZ3、电压温度系数——稳压值受温度变化影响的系数现在是63页\一共有107页\编辑于星期日4、动态电阻rzrz越小，稳压管反向伏安特性曲线越陡，稳压性能越好稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值U/VI/mAIZMIZΔIZΔUZUZ现在是64页\一共有107页\编辑于星期日5、最大允许耗散功率PZM为管子不发生损坏时的最大功率损耗反向电流通过PN结，产生功率损耗，T现在是65页\一共有107页\编辑于星期日限流电阻已知UZ=5V，

UD=0.6V，求Uo=？①U=10V；②U=－10V；③U=4V当U=10V时，稳压管反向击穿，Uo=UZ=5V当U=－10V时,稳压管正向导通,UO=－UD=－0.6V当U=4V时，稳压管反向截止，UO=4V例解现在是66页\一共有107页\编辑于星期日①

U=10V；②

U=-10V；③

U=4V已知UZ=5V，

UD=0.6V，求UO=？UO=UZ

+UD

=5.6V例解当U=10V时，设C点电位为零UO=-UZ

-UD

=-5.6V当U=-10V时，设B点电位为零UO=4V当U=4V时，设C点电位为零现在是67页\一共有107页\编辑于星期日求UO(a)(b)Dz1稳压值6VDz2稳压值10V正向压降0.7V解例(a)RURU(b)+--+++--U=20V现在是68页\一共有107页\编辑于星期日电阻R的选择范围：为保证流过稳压管电流不超过其最大允许电流，稳压管在使用时，在电路中必须加限流电阻。注意RLILUIRIRIZ+-Uo+-现在是69页\一共有107页\编辑于星期日

§1-5半导体三极管BipolarJunctionTransistor(BJT)1.5.1基本结构1.5.2放大原理1.5.3特性曲线1.5.4主要参数1.5.5半导体三极管型号1.5.6小结现在是70页\一共有107页\编辑于星期日现在是71页\一共有107页\编辑于星期日三极管又称为晶体管高频管按频率分低频管按功率分大功率管中功率管小功率管NPN型按结构分PNP型按材料分硅管锗管

硅晶体管多为NPN型（3D系列）锗晶体管多为PNP型（3A系列）现在是72页\一共有107页\编辑于星期日1.5.1基本结构1、NPN型发射结(Je)集电结(Jc)基区发射区集电区e(Emitter)发射极b(Base）基极c(Collector)集电极现在是73页\一共有107页\编辑于星期日它由两个PN结的三层半导体制成的，中间是一块很薄的P型半导体（几微米——几十微米），两边各为一块N型半导体。发射区与基区交界处的PN结称为发射结基区不但很薄，而且掺杂浓度低；发射区的掺杂浓度远高于集电区，集电极和发射极不能互换。两个PN结集电区与基区交界处的PN结称为集电结现在是74页\一共有107页\编辑于星期日2、PNP型发射结(Je)集电结(Jc)基区发射区集电区e(Emitter)发射极b(Base）基极c(Collector)集电极现在是75页\一共有107页\编辑于星期日符号*Je箭头:PN现在是76页\一共有107页\编辑于星期日BCEBCETNPN型BCEBCETPNP型现在是77页\一共有107页\编辑于星期日一、放大条件二、内部载流子传输过程三、电流分配关系放大原理四、放大作用现在是78页\一共有107页\编辑于星期日一、放大条件外部条件内部条件Je正偏Jc反偏电位关系三区结构与掺杂NPN：VC

＞VB＞VEPNP：VC

＜VB＜VE现在是79页\一共有107页\编辑于星期日发射区向基区注入载流子；

基区则是传送和控制载流子；

集电区是收集载流子的。

把晶体管接成两个回路，即基极电路和集电极电路。

以发射极为公共端，这种接法称为晶体管的共发射极接法。

BCERBEBRCECNNP二、内部载流子传输过程发射结加正向电压，集电结加反向电压。

现在是80页\一共有107页\编辑于星期日（1）发射区向基区扩散电子BCERBEBRCECNNP现在是81页\一共有107页\编辑于星期日（2）电子在基区的扩散和复合BCERBEBRCECNNP基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流扩散和复合同时进行，电流放大取决于两者的比例希望扩散>>复合，因此基区很薄，掺杂浓度小现在是82页\一共有107页\编辑于星期日（3）集电区收集扩散过来的电子BCERBEBRCECNNP现在是83页\一共有107页\编辑于星期日BCERBEBRCECNNP

根据反向PN结的特性，当集电结加反向电压时，基区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用下形成反向漂移电流。这部分电流决定于少数载流子浓度，称为反向饱和电流ICBO现在是84页\一共有107页\编辑于星期日三、电流分配关系(CurrentRelationship)IB(mA)00.020.040.060.080.10Ic(mA)<0.0010.71.52.303.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05且IE

≈IC

>>IB

现在是85页\一共有107页\编辑于星期日晶体管的IB有很小变化时，IC变化很大，这就是晶体管的电流放大作用。发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置注意表示电流放大能力，电流放大系数。

IB(mA)00.020.040.060.080.10Ic(mA)<0.0010.71.52.303.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05四、放大作用----电流放大(控制）现在是86页\一共有107页\编辑于星期日三种组态电路(Common)应用：共射电压放大(CommonEmitterCircuit)现在是87页\一共有107页\编辑于星期日现在是88页\一共有107页\编辑于星期日一、输入特性曲线输入特性是指当集电极—发射极电压UCE为常数时，输入回路中加在基极—发射极之间电压UBE与基极电流iB之间的关系。1.5.3特性曲线现在是89页\一共有107页\编辑于星期日当UCE足够大时，集电结反偏，输入特性曲线右移。208060400.20.40.6现在是90页\一共有107页\编辑于星期日0208060400.40.8当UCE≥1V时，集电结的电场足够大，可以把从发射区进入基区的电子中的绝大部分吸引到集电区，此时UCE再大，IB已基本不变。硅管为0.5V，在正常工作时，发射结上压降

PNP锗管死区电压：0.1VUBE=－0.2～－0.3VUCE≥1V后的输入特性基本重合，所以，通常只要画出UCE≥1V以后的任何一条输入特性就可代表UCE≥1V以后的各种情况。死区电压现在是91页\一共有107页\编辑于星期日输出特性是指IB=常数时，三极管输出回路中（此处指集电极回路），集电极—发射极之间的电压UCE与集电极电流IC之间的关系。二、输出特性曲线不同的IB可得到不同的曲线，各条特性曲线的形状基本上是一样的，输出特性曲线为一组曲线。现在是92页\一共有107页\编辑于星期日当UCE很小时，不能把由发射区扩散到基区的自由电子大部分拉入集电区。IC受UCE

影响较大。当UCE增大，集电结吸引电子能力增强，IC很快增大。当UCE超过一定值后，自由电子的大部分已被拉入集电区，即使再增加UCE，IC基本不变，具有恒流特性。102520155现在是93页\一共有107页\编辑于星期日放大区1.放大区IC＝βIB，IB、IC呈线性关系

，放大区又称线性区

条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。NPN型：UBE＞0，UCE＞UBE

102520155现在是94页\一共有107页\编辑于星期日2.截止区IB＝0时，IC＝ICEO≈0UBE＜0.5V时，晶体管进入截止区为使晶体管可靠截止，一般使UBE≤0V发射结、集电结均反向偏置。截止区102520155现在是95页\一共有107页\编辑于星期日3.饱和区当UCE＜UBE时，集电结正偏，晶体管处于饱和状态。饱和区IC≠βIB，IB与IC不成比例

，放大倍数β不适用于饱和区。UCE＝UCES（饱和压降）硅管0.3V锗管0.1V发射结、集电结正向偏置；三极管如同工作在短接状态102520155现在是96页\一共有107页\编辑于星期日测量三极管三个电极对地电位如图试判断三极管的工作状态。放大截止饱和例现在是97页\一共有107页\编辑于星期日三个晶体管动工作在放大区，测得管子三个电极的电位分别如下。试判断各三极管的类型、材料和电极。①2V②2.6V③6V①2.2V②5.4V③6V①-4V②-1.2V③-1.5V1、NPN型硅管①发射极②基极③集电极解例2、PNP型硅管①集电极②基极③发射极3、PNP型