电子技术原理第7章-半导体

第7章半导体器件7.2PN结及其单向导电特性7.3半导体二极管7.4稳压二极管7.1半导体的导电特性7.5双极型晶体管第7章半导体器件要点P型和N型半导体特点：多子，少子，参入几价元素2.PN结单向导电性：如何导通及截止3.二极管的符号；死区电压与导通压降区别；多个二极管导通原则4.稳压管的符号；稳压管正反向导通区别5.三极管的分类及极间电位；电流放大公式；三极管输出特性的三个分区及PN结状态7.1半导体的导电特性半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料常见半导体材料有硅、锗、硒及金属的氧化物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。半导体材料的特性：纯净半导体的导电能力很差；温度升高——导电能力增强（如钴、锰、镍的氧化物做成的热敏电阻）；光照增强——导电能力增强（如镉、铅等硫化物做成的光敏电阻）；掺入少量杂质——导电能力增强。

本征半导体完全纯净、具有晶体结构的半导体最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为4。++SiGe共价键

本征半导体在本征半导体的晶体结构中，每个原子与相邻的四个原子结合。每个原子的一个外层价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，电子对由相邻两原子共有，构成共价键结构。共价键价电子共价键价电子自由电子和空穴同时产生

本征半导体激发自由电子温增和光照外加电压电子电流离开剩空穴原子带正电吸引相邻原子价电子填补空穴好像空穴在运动（正电荷）外加电压空穴电流与金属导电的区别多硅原子自由电子硅原子半导体中的自由电子和空穴都能参与导电——半导体具有两种载流子。共价键价电子

本征半导体本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多，导电性能就愈好——温度对半导体器件性能影响很大

杂质半导体在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类——N型半导体和P型半导体1.

N型半导体当在硅或锗的晶体中掺入微量磷(或其它五价元素)时，磷原子与周围四个硅原子形成共价键后，磷原子的外层电子数将是9，比稳定结构多一个价电子。P+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余电子1.

N型半导体掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。自由电子导电是这种半导体的导电方式，称之为电子半导体或N型半导体。在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。室温情况下，本征硅中载流子有1.51010个/cm3，当磷掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几十万倍。当在硅或锗的晶体中掺入微量硼(或其它三价元素)时，硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后，硼原子的外层电子数将是7，比稳定结构少一个价电子。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴2.

P型半导体掺硼半导体中，空穴数目远大于自由电子数目。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数目将增加几十万倍。不论是N型还是P型半导体，都只有一种多数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。2.

P型半导体因为载流子带正电或负电，原子则相反带负电或带正电，整个晶体不带电。？

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练习7.2

PN结及其单向导电性不论是P型半导体还是N型半导体，都只能看做是一般的导电材料，不具有半导体器件的任何特点。半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。7.2.1PN结的形成PN空间电荷区多数载流子将进行扩散运动；耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区；(内电场)也称耗尽层一块晶片的两边分别为P型半导体和N型半导体内电场阻碍了多子的继续扩散，推动少子的漂移运动，最终达到动态平衡，空间电荷区宽度一定。P区空穴多自由电子少N区自由电子多空穴少内电场空间电荷区P区N区载流子的运动有两种形式：扩散由于载流子浓度梯度引起的载流子从高浓度区向低浓度区的运动。漂移载流子受电场作用沿电场力方向的运动。耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态平衡，这样的耗尽层就是PN结PN结内电场的方向由N区指向P区。7.2.1PN结的形成7.2.2PN结的单向导电性PN结未加电压时，载流子的扩散和漂移运动处于动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定。1)加正向电压将电源的”+”接P区、”-”接N区。扩散增强PN内电场方向外电场方向I变窄++-下面讨论加有外部电压时的PN结特性。外电场作用P区空穴进入PN→NN区电子进入PN→PPN结内正负离子被抵消PN结变窄电荷易过电阻低内电场弱漂移变弱多子形成正向电流（包括方向一致的空穴电流和电子电流）外电源不断提供电荷维持电流。2)加反向电压将外电源的正端接N区、负端接P区。外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽。扩散运动变弱，漂移运动增强，参与漂移运动的载流子是少子，反向电流极小。PN内电场方向外电场方向+I~0变宽少子是由热激发产生的，即温度愈高少子的数量愈多，故温度对反向电流的影响很大。PN结具有单向导电性，即正向（P+N-）导通、反向截止7.2.2PN结的单向导电性7.3半导体二极管

7.3.1结构与分类将PN结加上电极引线及外壳，就构成了半导体二极管。PN结是二极管的核心。根据所用材料不同，二极管有硅二极管和锗二极管两种。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

符号D既然二极管是由PN结构成的，它自然具有着单向导电性。某种硅二极管的电流-电压关系(伏安特性)可见图示：由电压零点分为正向区和反向区正向：由死区电压分为死区和导通区U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)40200-0.5v:正压低→外电场<内电场→正向电流≈

0>0.5v:正压高→外电场>内电场→内电场大大削弱→正向电流大→导通压降：7.3.2伏安特性死区导通区死区电压(Si-0.5VGe-0.1V)Si0.6～0.7VGe0.2～0.3V截止区:负压小→漂移强(少子)→很小反向电流→反向饱和电流U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向：由击穿电压分为截止区和击穿区7.3.2伏安特性击穿区:负压大→二极管失去单向导电性→击穿→反向击穿电流→不可逆击穿原因：碰撞和非碰撞碰撞:强电场中载流子获大能量碰撞晶格→价电子弹出，产生电子空穴对→即新的载流子再碰撞晶格→雪崩反应，反向电流越来越大→反向击穿非碰撞:强电场直接将共价键中价电子拉出，产生电子空穴对，形成较大反向电流二极管的特性不仅可用伏安曲线表示，也可用一些数据进行说明这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有：1.最大整流电流IOM二极管长时间使用所允许通过的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URWM

保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，为反向击穿电压的1/2至2/3。3.反向峰值电流IRM

二极管加反向峰值电压时的反向电流值。该值愈大说明二极管的性能愈差，硅管的此参数值为微安级以下。7.3.3主要参数4.最高工作频率fM

二极管能承受的外施电压的最高频率。若超过则失去单向导电性。PN结两侧的空间电荷与电容极板充电时所储存的电荷类似，称为结电容

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。二极管的单向导电性总结定性分析：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。7.3.4二极管的应用阴极阳极

符号D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。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–7.3.4二极管的应用+-如图由RC构成微分电路，当输入电压ui为矩形波时，试画出输出电压uo的波形。(设uc0=0)uRtouotouitoU7.3.4二极管的应用应用：整流、检波、限幅、元件保护、开关元件a、检波+-+-+

-CRDRLuiuRuo充电+

-反向不通=0=0+

--+-

+<0-+UR=Ui-UCUR=UC放电正向导通二极管使uo

只留下负尖脉冲，起限幅作用7.3.4二极管的应用b、钳位、隔离AB+3V0VR-12VYDADB如图锗管，VA=+3V，VB=0VR接负电源-12V，求VY多个二极管导通原则：①设所有管不通，所有R短路，计算各管上正向电压，谁高谁导通。②导通管有压降，剩下各管重新计算电压。大于死区电压导通，否则截止。解：①UDA=3-（-12）=15VUDB=0-（-12）=12VDA优先导通，导通压降设为0.3VVY=3-0.3=2.7V+-+-②UDB=0-2.7=-2.7VDB反向截止。DA起钳位作用，把VY钳住在2.7VDB起隔离作用，隔离输入B和输出Y类比例ui>5V，二极管导通，可看作短路uo=E=5V

ui<5V，二极管截止，可看作开路uo=ui二极管是理想的，试画出输出电压uo

波形。5V例ui10V参考点D5VRuoui++––7.3.4二极管的应用已知：电源电动势E=5V二极管阴极电位为5Vc、限幅二极管使uo

输出不超过5V，起限幅作用7.4稳压二极管

伏安特性稳压管是一种特殊的面接触型二极管。它在电路中常用作稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管的图形符号：U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，只是反向曲线更陡一些。7.4.1伏安特性U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向稳压管工作于反向击穿区，常见电路如下。UiRUoRL在电路中稳压管是反向联接的。当Ui大于稳压管的击穿电压时，稳压管被击穿（可逆），电流将增大，电阻R两端的电压增大，在一定的电流范围内稳压管两端的电压基本不变，输出电压Uo等于Uz。1、稳定电压Uz指稳压管正常工作时的端电压。同一型号稳压管UZ也不一定相等。2、稳定电流IZ

正常工作的参考电流值。每种型号稳压管都规定有一个最大稳定电流IZM，超过它，易发生热击穿（不可逆），稳压管损毁,IZ<IZM。U(V)0I(mA)反向正向UZIZ7.4.1主要参数3、电压温度系数U说明稳压值受温度影响的参数。如：稳压管2CW18的电压温度系数为0.095%/C

假如在20C时的稳压值为11V，当温度升高到50C时的稳压值将为特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。因此选用6V左右的稳压管，具有较好的温度稳定性。7.4.1主要参数4、动态电阻rZ

稳压管子端电压和通过其电流的变化量之比。稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压效果越好。U(V)0I(mA)反向正向UZIZIZmIZUZ5、最大允许耗散功耗PZM保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。其值为稳定电压和允许的最大电流乘积7.4.1主要参数如图，通过稳压管的电流IZ等于多少？解：UR=18-10=8VIZ=IR=8/1.6=5mA<18mA因IZ=18mAI1=50-18=32mAR1=？R1=UZ/I1=10/32=0.3125kΩ+18VIZR=1.6kΩUz=10VIZM=18mA+DZ-IR例由于IZ<IZM，所以限流电阻R阻值合适若R阻值缩小十倍，IZ=?IZ=IR=8/0.16=50mA>18mA此时需对稳压管并联R1=？7.5

双极型晶体管

7.5.1基本结构半导体三极管(晶体管)是最重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路中。晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。平面型都是硅管、合金型主要是锗管。它们都具有NPN或PNP的三层两结的结构，因而又有NPN和PNP两类晶体管。其三层分别称为发射区、基区和集电区，并引出发射极(E)、基极(B)和集电极(C)三个电极。三层之间的两个PN结分别称为发射结和集电结。N型硅P型N型二氧化硅保护膜CBE平面型结构N型锗铟球铟球P型P型CEB合金型结构NNP集电结发射结集电区发射区基区CBENPP集电区发射区基区集电结发射结CBEBECBEC7.5.1基本结构可以互换吗？杂质多尺寸大不行+++----+1、发射区向基区扩散电子内部载流子运动规律发射结处于正向偏置，掺杂浓度较高的发射区向基区进行多子扩散。放大作用的内部条件：基区很薄且掺杂浓度很低。2、电子在基区的扩散和复合基区厚度很小，电子在基区继续向集电结扩散。（但有少部分与空穴复合而形成IBEIB）7.5.2电流放大作用BECNNPEBRBECIEIBEICEICIBICBO要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏置——具有放大作用的外部条件。3、集电区收集扩散电子集电结为反向偏置使内电场增强，对从基区扩散进入集电结的电子进行加速，收集电子到集电区，形成集电极电流(ICEIC)。由电流分配关系示意图可知发射区向基区注入的电子电流IE将分成两部分ICE和IBE，它们的比值为它表示晶体管的电流放大能力，称为电流放大系数7.5.2电流放大作用少子运动形成反向截止电流BECNNPEBRBECIEIBEICEICBOICIB在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化。根据晶体管放大的外部条件，发射结必须正向偏置,电位P高N低，集电结必须反向偏置，电位P低N高。则对于NPN型晶体管且对于PNP型晶体管且7.5.2电流放大作用BEC+++-BEC---+发射结集电结NPN集电结发射结PNP某放大电路中，测得一晶体管3个电极的对地电位分别为VX=-6V，VY=-3.4V、VZ=-3.2V，试判断该晶体管是NPN型还是PNP型，锗管还是硅管，并确定三个电极。2.判断锗管还是硅管：另两个电位分别与基极相减，结果为0.6~0.7V为硅管，结果为0.2~0.3V为锗管；产生压降的为发射结。例习题7.8.3-7解：4.剩下管脚为集电极。3.确定类型：发射结除基极外的另一端为发射极；基极电位高于发射极电位，则基极为P，发射极为N，晶体管为NPN型，否则为PNP型。VY-VZ=-3.4-（-3.2）=-0.2V，锗管；YZ为发射结。VY=-3.4V<VZ=-3.2V，Y为N，Z为P，晶体管为PNP型。确定基极：三个电位比较大小，无论NPN型还是PNP型，中间电位为基极。BEC---N+PYVX=-6V<VY=-3.4V<VZ=-3.2V，Y为基极。ZXP

特性曲线最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线，实验测绘是得到特性曲线的方法之一。特性曲线的测量电路见右图。AVmAVECRBIBUCEUBEICEB用晶体管特性图示仪也可直接测量及显示晶体管的各个特性曲线。晶体管的特性曲线是表示一只晶体管各电极电压与电流之间关系的曲线。是应用晶体管和分析放大电路的重要依据。1.

输入特性曲线输入特性曲线当UCE为常数时的IB与UBE之间的关系曲线。00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V3DG6的输入特性曲线对硅管来说，当UCE1V时，集电结已处于反向偏置，发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成集电极电流，UCE

1V后，输入特性曲线基本重合，只画一条。但IB与UBE的关系依然与PN结的正向类似。(当UCE更小，IB才会明显增加)硅管的死区电压为0.5V，锗管的死区电压不超过0.1V。放大状态硅NPN管UBE=0.6～0.7V导通压降：

锗PNP管UBE=-0.2～-0.3V(参见右图)2.

输出特性曲线当IB一定时，UCE超过约1V以后就将形成IC，当UCE继续增加时，IC的增加将不再明显。这是晶体管的恒流特性当IB增加时，相应的IC也增加，曲线上移，而且IC比IB增加得更明显。这是晶体管的电流放大作用。输出特性曲线是在IB为常数时，IC与UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得到不同的曲线，即晶体管的输出特性曲线是一组曲线(见下图)。IB=020A40A60