第六章半导体器件的基本特性第一节半导体基础知识

第六章半导体器件的基本特性第一节半导体基础知识6.1.1本征半导体6.1.2杂质半导体第二节PN结及半导体二极管6.2.1异型半导体的接触现象6.2.2PN结的单向导电特性6.2.3半导体二极管6.2.4半导体二极管的应用第三节半导体晶体管6.3.1晶体管的结构及类型6.3.2晶体管的放大作用6.3.3晶体管的特性曲线6.3.4晶体管的主要参数第一节半导体基础知识按导电的性能可以将物质分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电性能取决于物质的原子结构。我们所关心的不是半导体的导电性，而是它的原子结构。1.本征半导体(intrinsicsemiconductor)完全纯净的、结构完整的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅(Si—Silicon)和锗(Ge—Germaniun)。-4+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴载流子形成与复合：价电子获得能量后摆脱原子核的束缚成为自由电子、空穴对，当自由电子填补空穴后就是复合。本征半导体载流子的浓度，除与半导体材料本身性质有关外，还与温度有关，且ni=pi。2.杂质半导体(impuritysemiconductor)本征半导体中的载流子浓度很低，导电性能也很弱，掺入少量杂质，其导电性能将发生质的变化。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由电子施主原子(1)N型半导体(N-typesemiconductor)在半导体中掺入5价元素，多出的电子不受共价键的约束，仅受到自身原子核的约束，所以只要得到较少的能量就可以成为自由电子。同时，还会有些价电子摆脱共价键约束，形成电子空穴对。显然，在这种杂质的半导体中自由电子的浓度远远大于空穴浓度。即nn>>pn故导电主要靠自由电子。自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。多数载流子的浓度取决于掺杂的浓度，少数载流子是半导体材料共价键提供的，主要取决于温度。可以证明电子与空穴的浓度有如下关系：根据原子理论中的“不相容”原理--同一能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子和贾米·狄拉克分布函数可以证明以上等式。(2)P型半导体(P-typesemiconductor)在半导体中掺入3价元素，当它与周围的锗原子组成共价键时，在缺少电子的地方形成一个空穴。其它共价键的电子只需较小的能量就可以摆脱原子核束缚移到此空穴，从而形成新的空穴。显然在这种掺杂半导体中，空穴的浓度大于自由电子的浓度，所以多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子。pp>>np

+4+4+4+4+3+4+4+4+4受主原子空穴第二节PN结及半导体二极管在一块本征半导体上，用工艺的办法使一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，则在两种半导体的交界处形成一个P-N结。P-N结是一切半导体器件的基础。1.异型半导体的接触现象扩散—浓度差异导致的载流子移动P区N区自建场耗尽区P区空间电荷区N区2.PN结的单向导电特性漂移—在电场作用下载流子的定向移动

UR+-自建场I外电场P区N区

UR-+自建场

I外电场P区N区3.半导体二极管

(1)半导体二极管的结构金属触丝N型锗片阳极引线阴极引线外壳(a)点接触型阳极引线二氧化硅保护层

P型硅阴极引线(b)平面型N型硅铝合金小球阳极引线PN结N型硅金锑合金底座阴极引线(c)面接触型阳极阴极(d)符号(2)半导体二极管的伏安特性

I(mA)2010-40-2000.40.8U(V)-10-20(nA)(a)硅二极管的伏安特性曲线

I(mA)2010-60-3000.20.4U(V)-10-20(μA)(b)锗二极管的伏安特性曲线正向特性：门限电压Uon，硅0.6~0.8V；锗0.1~0.3V反向特性：反向饱和电流，一般很小。硅nA级，锗μA级击穿特性：反向电压达到某一值后，二极管的电流急剧增加，根据击穿的内部机制分为雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿：低浓度掺杂，在强电场作用，获得能量的自由电子与原子发生碰撞将价电子“打”出共价键，形成更多的载流子；齐纳击穿：高浓度掺杂，阻挡层很窄，无足够加速空间，但很窄空间形成的强电场可以将价电子直接“拉”出来，使电流急剧增加。(3)半导体二极管的主要参数①最大整流电流IF。二极管允许通过的最大正向平均电流。如果电流长时间电流超过此值，二极管会因过热而烧坏。此值取决于结面积、材料和散热情况。②最大反向工作电压UR。二极管允许的最大反向工作电压。当反向电压超过此值就可能被击穿。③反向电流IR。二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好。④最高工作频率fM。此值的大小主要取决于结电容的大小。结电容越大，允许工作频率越低。⑤二极管的直流电阻RD。二极管两端电压与流过二极管中电流之比。⑥二极管的交流电阻rd。二极管两端电压变化量与流过二极管中电流变化量之比。

I(mA)

rd8060ΔI40Q

ΔU200U12(V)

I(mA)

RD80Q

6040200U1UF2(V)IF(4)特殊二极管①稳压二极管工作原理：稳压二极管工作在PN结的击穿区。在击穿区电压的微小变化会引起电流较大范围的变化，利用这一特性可以起到稳定输出电压的目的。注意事项：1.稳压管工作在反向击穿区，因此电源正极接N、负极接P；2.稳压管与负载并联；3.在稳压电路中必须有限流措施。稳压原理：

IR+R

ILUi

DZ

RL

IZ_I+

0

U-

ΔUΔIUO主要参数：1.稳定电压UZ：工作在击穿区时的稳定工作电压。是稳压管的关键参数。2.稳定电流IZ：稳压管正常工作时要求的最小电流。稳压管工作电流通常大于此电流值。3.动态电阻rz：稳压管工作在稳压区时两端电压变化量与电流变化量之比，此值越小，说明稳压性能越好。4.额定功率Pz：是保证稳压管正常工作的关键参数。5.稳压温度系数αz：描述稳压管的稳定电压随温度而改变情况，一般UZ>7V具有正温度系数，在4~7V之间温度系数为负。②变容二极管变容二极管主要是利用PN结内耗尽层的空间电荷引起的。由于在耗尽层内N区积聚了正电荷，P区积聚了负电荷，形成了与平板电容器结构相似的形式。当外加电压变化时，空间电荷的增加和减少相当于平板电容的冲放电。因此显示了电容效应。变容二极管就是利用这一特点而制造的。

自建场平衡时阻挡层形成

耗尽区P区空间电荷区N区③光电二极管利用某些对光敏感的半导体制成的二极管。光的强弱会引起反向电流的变化，换句话说，反向电流的大小，表明了外界光的强弱。

I(μA)-10–8–6–4–2无光照0U(V)照度-50增大akak

I受光面④发光二极管发光二极管是利用某些材料有电流流过时会发出不同波长的光而制成的。发光二极管经常用来作为指示、装饰等显示作用，在产品设计中经常使用到。4.半导体二极管的应用二极管的应用范围很广，利用二极管的单相导电特性，可组成整流、检波、钳位、限幅、开关等电路。利用二极管的其他特性，可使其应用在稳压、变容、温度补偿等方面。

(1)整流电路

u20T/2T3T/22Tt

TD+io++~220Vu2

RL

uo---半波整流uo,io

0T/2T3T/22Tt

Ta++D4

D1~220V

u2

cb-io-D3

D2+

d

uo-桥式整流uo,io0T/2T3T/22Tt(2)二极管限幅电路二极管限幅电路主要作用是限制输出电压幅度，以适应不同要求，特别是经常用于保护电路中的器件。

+R+

D1

D2ui

uo5V5V--

ui5V0t-5V

uo5V0t-5V第三节半导体三极管三极管是组成各种电子电路的核心器件。外形如图。1.三极管的结构及类型用工艺的办法将两个PN结背靠背地连接起来组成三极管。如果将两个二极管背靠背地连接起来会怎样呢？

c

b几微米几百微米

eNNP

集电极c集电结c

c集电区

b

b基极b基区发射区发射结e

e发射极e

N

NPNPN型PNP型

3AX813AX13DG13AD102.三极管的放大作用为了分析理解方便，我们均以NPN管为例，PNP管的工作原理与之完全相同。内部结构：

①发射区重掺杂。作用是向基区注入载流子。②基区低掺杂且很薄。作用是传输控制载流子。③集电区面积很大。作用是收集载流子。外部条件：外部电源应保证发射结处于正向偏置，集电结反向偏置。(1)载流子传输过程①发射。由于发射结正向偏置，发射区的多数载流子--电子注入到基区，形成发射极电流IE。当然也有基区空穴向发射区扩散，只是这部分电流很小，一般忽略不计。②扩散与复合。从发射区注入基区的电子，在发射结附近浓度很高，由于集电结反向偏置，在集电结处的电子几乎为0，浓度差将使注入到基区的电子向集电结扩散。在扩散的过程中，有一部分电子将与基区的空穴复合，形成基极电流IBN。由于基区掺杂浓度低且很薄，所以复合电子数很少，大部分电子扩散到集电结处。③收集。由于集电结反向偏置，扩散到集电结处的电子将在反向偏置的作用下很快漂移到集电区，被集电区收集，形成电流ICN。此外，由于集电结反向偏置，集电区与基区的少数载流子会形成反向饱和电流ICBO

Ic

c

ICNRc

ICBO

N

b

UCCP

IB

IBN

RB

IE

N

UBB

IEe(2击)电幅流分谁配三极迅管实赞质上帮是一暂个电或流分羞配器钳，它侦把发卫射极听注入回的电匙子按损一定订比例研分配肌给集金电极挂和基困极。脸晶体新管制洗成以抵后，宁这种众比例宰就确墓定了聚。用银一组母参数虏来描职述这盛种分斧配规葵律。共基抚极直京流电跃流放敌大系照数：发射之极直甘流放暴大系旧数：

Ic

c

ICNRc

ICBO

N

b

UCCP

IB

IBN

RB

IE

N

UBB

IEe若三旧极管叮基极椅开路揪，则IB=0阵，故有：ICE骆O为基烧极开哥路三桥极管数的集栏电极顺电流臣，常锐称为蠢穿透垦电流片。交流划放大捎系数余是指冈电流刻变化剂量之基比。3.吐三踪蝶极管致的三于种连闭接方翼式三极江管共增有三柜个极王，输钢入、部输出晶各一穗个极访，第勇三个享极是潮输入往、输巩出回占路的喘公共底端，胜根据册公共塌端的朴不同蛛，三板极管厨的可宾以分批为共拆基极籍、发语射极婆和集聚电极治三种趟连接滑方式踩。

IeIcce

bIcbIeecIbIbIbbIeeIcc(a)共基极(b)共发射极(c)共集电极4.够三哲极管演的特汪性曲气线三极形管外香部极璃间电乐压与扮电流瓶的相艘互关演系称蛙为三友极管脂的特卷性曲胆线。亚特性杨曲线胸比较袭直观斧地反蚀映了泄各极为电压枣与电转流之挺间的竭关系础。(1邪)输团入特油性即在UCE不变叔时，拐输入处回路袜的IB与电市压UBE之间淡的关赵系曲渗线。

iC

iBRC

RBiEUCCUBBib/μA

00.20.40.60.8UBE

输入特性UCE=0VUCE≥1V80604020ic(mA)放大区饱和区

IB=60μA

IB=50μA

IB=40μAIB=30μAIB=20μAIB=10μA

IB=00UCE截止区输出特性(2版)输愈出特嚼性即在IB一定俊时，鞠输出仍回路残的IC与电辽压UCE之间榆的关钻系曲耍线。IB一定桥时，挑对应转一族偿输出嫁曲线片中的一条。该巷条曲青线分说为三界阶段女：上唱升、推转折翼和平款坦。当UCE很小切时，罗集电贫区收柜集电摧子的载能力克不够忠，UCE的改存变对IC影响识很大把。当UCE>1编V后，欠集电折区收得集电誓子能苏力恢烛复正健常，UCE再增揪加，IC的增贪加趋拘势减挡