董焕发版电子技术第1章

半导体基本知识1.1本章目录半导体二极管1.2双极性三极管1.3光电器件1.4绝缘栅场效应管1.5第1章半导体器件的基本知识（1）掌握普通二极管和稳压管外特性及主要参数，正确理解它们的工作原理。（2）掌握双极性三极管的输入、输出特性及主要参数，正确理解它的工作原理。（3）了解本征半导体、杂质半导体和PN结的形成。1.1半导体基本知识

导体：电阻率

<10-4

·

cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。绝缘体：电阻率

>109

·

cm物质。如橡胶、塑料等。半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。通常情况下纯净半导体的导电能力较差，但随着外界条件改变，其导电能力会有较大改变

半导体具有以下特性：

(1)热敏性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性可制成热敏元件。

(2)光敏性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光敏器件。

(3)掺杂性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件。

现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗。GeSi电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。+4简化模型+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。价电子共价键图1.1.2单晶体中的共价键结构当温度T=0K（热力学温度,-273.15℃

）时，半导体不导电，如同绝缘体。1.1.1本征半导体及其导电特性

1.本征半导体的结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的。数量总是相等的。空穴运动相当于正电荷的运动。自由电子空穴载流子：运载电荷的粒子自由电子（带负电）空穴（带正电）复合若T

，本征激发2.本征半导体中的载流子载流子特点：+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴复合

(1)带负电的自由电子和带正电的空穴；

(2)自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对；

(3)自由电子的浓度等于空穴的浓度；

(4)载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。

在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。

在本征半导体中掺入五价杂质元素（磷，砷）的半导体，称为N型半导体；根据所掺杂质不同分：N型半导体、P型半导体1.N型半导体1.1.2N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图1.1.4

N型半导体的晶体结构多数载流子——自由电子少数载流子——

空穴N型半导体的表示方法自由电子浓度远大于空穴的浓度电子型半导体1.1.3P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3受主原子空穴图1.1.5

P型半导体的晶体结构多数载流子——空穴少数载流子——自由电子P型半导体的表示方法空穴浓度远大于自由电子的浓度空穴型半导体结论：

1.多数载流子浓度取决于掺入杂质的浓度；少数载流子的浓度取决于温度。3.杂质半导体总体上保持电中性。

2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。1.2.1PN结的形成及单向导电特性1.2.2二极管的基本结构1.2.3二极管的伏安特性1.2.4二极管的主要参数1.2半导体二极管掌握二极管的伏安特性；理解PN结的工作原理，掌握PN结的单向导电性。理解二极管的主要参数提示：掌握基本概念，而对半导体内部工作机理，不必过于深究。学习半导体器件时，应着重于理解和掌握器件的外特性，学会根据伏安特性曲线看出器件的作用及所需的工作条件，应用中应注意的问题等。1.2.1PN结的形成及单向导电特性在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结

PN结的形成空间电荷区PN多子扩散运动PN复合消失空间电荷区（耗尽层）内电场内电场阻止多子扩散有利少子漂移动态平衡，形成PN结空间电荷区PNPN内电场说明:1.空间电荷区的正负离子，不能移动，不参与导电。在这个区域，载流子很少，所以空间电荷区的电阻率很高。2.PN结---空间电荷区（耗尽层、高阻区、阻挡层）2.PN结的单向导电性外电场内电场空间电荷区VRIPN(1)加正向电压(正偏)P(+)N(-)低阻导通多子扩散运动增强，少子漂移运动减弱(2)加反向电压(反偏)P(-)N(+)空间电荷区少子形成反向电流。当其不再随外电压增大时，称为反向饱和电流（IS）。IS很小，随温度升高，IS将增大。PN外电场内电场VRIS高阻截止综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于（低阻）导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于（高阻）截止状态。可见，PN结具有单向导电性。1.2.2二极管的基本结构

二极管

=PN结

+引线+管壳符号阴极阳极DPN半导体二极管的类型：按PN结结构分：点接触型二极管：不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。面接触型二极管：PN结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。平面型二极管：往往用于集成电路制造工艺中，PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线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

)面接触型二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)符号D在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f

(U

)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性反向特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.02锗管的伏安特性0图1.2.4二极管的伏安特性1.2.3二极管的伏安特性1.正向特性

正向特性死区电压60402000.40.8I/mAU/VPN–+死区：外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态死区电压：0.5V或0.1V

。正向导通区：正向电压大于某一电压后，正向电流

随着正向电压增大迅速上升。导通压降：硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性反向饱和电流击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。击穿电压U(BR)PN+–

反向截止区：外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流很小。因为少数载流子的数量很少，且基本不随反向电压变化。

反向击穿区：当反向电压增加到一定值时，反向电流突然增加，进入反向击穿区。（加在它两端的反向电压超过它所能承受的最大反向电压，使内部原子电离而产生的）（1）电击穿:雪崩击穿：当U↑，载流子获得能量高速运动，产生碰撞电离，形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流I↑。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，反向击穿电压较高。齐钠击穿：当U↑，强电场直接破坏共价键。将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流I↑。齐纳击穿发生在掺杂浓度较高的PN结中，反向击穿电压较低。通常击穿电压在6V以下属于齐纳击穿；在6V以上主要是雪崩击穿。（2）热击穿:当U↑，耗散功率超过PN结的极限值,使温度升高,导致PN结过热烧毁.1.2.4二极管的主要参数

1.最大整流电流IF

指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。

2.最高反向工作电压UR

二极管使用时允许加的最大反向电压（约为UBR

的一半）。

3.反向击穿电压UBR

指管子反向击穿时的电压值。

4.反向电流IR

管子加上反向电压时的反向电流值，其值越小，则管子的单向导电性越好。2CZ9B用汉语拼音字母表示规格号用数字表示序号用字母表示器件的类型型号如：P表示普通管，Z整流管，W稳压管等用字母表示器件的材料如：A为N型Ge材料，B为P型Ge材料；C为N型Si材料，D为P型Si材料用数字表示电极数2为二极管，3为三极管半导体二极管的型号最高反向工作电压V最大整流电流mA最大整流电流mA最大整流电流mA100300500252CZ52A2CZ53A2CZ54A502CZ52B2CZ53B2CZ54B1002CZ52C2CZ53C2CZ54C2002CZ52D2CZ53D2CZ54D3002CZ52E2CZ53E2CZ54E2.恒压降模型正向，管压降为恒定值。普通小功率管正向导通电压为0.6~0.7，锗管为0.2V；反向，开路。补：二极管电路分析方法1.理想模型正向，短路；反向，开路。+-+--+-++-0V0.7V定性分析：判断二极管的工作状态导通截止分析方法：假设二极管截止或导通，将二极管断开（或导通），分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若U阳

>U阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若U阳

<U阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止例：电路如图1.3.7(a)所示，二极管采用硅管，电阻R＝1kΩ，E＝3V

(1)试分别用理想模型和恒压降模型求UR的值。

(2)当二极管VD反接，电路如图1.3.7(b)所示，试分别用两种模型求UR的值。UR=3VUR=2.3VUR=0VUR=0V导通截止限幅电路例：设ui=10sinwtV，VD为理想二极管，E=5V。求输出电压uO波形。ui<5V，VD截止，ui≥5V，VD导通，uO=5VuO=ui

VD10kΩ+uO–ui=10sinwt+–

5V一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管工作于反向击穿区。

(a)稳压管符号+I/mAU/VO+

正向

+反向

U2.稳压管的伏安特性

I1.2.5稳压二极管1.稳压管符号3.稳压管的主要参数(1)稳定电压UZ(3)动态电阻rZ(2)稳定电流IZ稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。正常工作的参考电流。I<IZ时，管子的稳压性能差；I>IZ

，只要不超过额定功耗即可。

rZ

愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大，rZ

值愈小。IZ=5mA

rZ

16

IZ=20mA

rZ

3IZ/mA(4)最大允许耗散功率额定功耗PZMPZM=UZIZM稳压管的功耗超过此值会因结温升高而损坏。使用时应串入一个电阻，起限流作用，以保证稳压管正常工作。例：UI=12V，稳压管的稳定电压UZ＝6V，最大稳定电流IZM＝50mA，电阻R=100Ω，RL=150Ω，求UO和稳压管实际工作电流IZ；电阻R的值选择得合适吗？RIRIZIO电阻R的值合适解：UO＝UZ＝

6VVDZR4.使用稳压管需要注意的几个问题：图1.3.13稳压管电路UOIO+IZIRUI+

(1)外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，保证管子工作在反向击穿区；RL

(2)稳压管应与负载电阻RL

并联；

(3)必须限制流过稳压管的电流IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。例：两个硅稳压管，UZ1=6V，UZ2=9V，求各图中的UO15V6V6.7V0.7V1.3双极型三极管又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。三极管有两种类型：NPN

和PNP

型。主要以

NPN型为例进行讨论。图2.1.1三极管的外形常用三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图2.1.2三极管的结构(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNP1.3.1三极管的基本结构图1.1.3三极管结构示意图和符号

ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP

(a)NPN型

箭头代表电流的方向集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极b

cbe符号NNPPN图1.1.3三极管结构示意图和符号(b)PNP型1.3.2晶体管的电流分配与放大原理以NPN型三极管为例讨论图2.1.4三极管中的两个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（1）内部结构要求：（2）外部条件：发射结正偏，集电结反偏。NPN:

UC>UB>UEPNP:

UE>UB>UC①基区很薄且浓度最低；②发射区的掺杂浓度最高；③集电区面积最大。BECNNPVBBRBVCCRC1.产生放大作用的条件beceRcRbIEpICBOIEICIBIEnIBnICn2.内部载流子的运动（1）发射区向基区扩散电子（2）电子在基区中扩散与复合（3）集电区收集扩散过来的电子形成发射极电流IE形成基极电流

IB形成集电极电流

ICbeceRcRbIEpICBOIEICIBIEnIBnICn3.三极管的电流分配关系发射极电流基极电流集电极电流beceRcRbIEpICBOIEICIBIEnIBnICnICEO称为集-射穿透电流当ICEO<<IC

时，忽略ICEO，则则IC可表示为：电流放大系数整理得IC

IEN两部分，IBn是很小的，而ICn很大。这个比值反映二极管的电流放大能力，该比值定义为电流放大系数输出回路输入回路+UCE-特性曲线是选用三极管的主要依据，可从半导体器件手册查得。IBUCE图2.1.6三极管共射特性曲线测试电路ICVCCRbVBBcebRcV

+V

+

A

++

mA输入特性：输出特性：+UCE-+UCE-IBIBIBUBE1.3.3伏安特性曲线(1)uCE=0时的输入特性曲线RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceOiB/A当uCE

=0时，基极和发射极之间相当于两个PN结并联。所以，当b、e之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。1.输入特性（2）uCE>0时的输入特性曲线

当uCE

>0时，有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。基区复合减少，在同一uBE

电压下，iB

减小，特性曲线将向右稍微移动一些。OiB/A

uCE

≥2时的输入特性具有实用意义。

（3）uCE≥2V，曲线右移很不明显。因为集电结所加的反向电压已能把注入基区的绝大部分电子拉到集电极，再增加，IB也不再明显地减小。IEIBICiCuCEIB=常数图1.1.7

NPN三极管的输出特性曲线

iCmA

uCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321截止区放大区饱和区2.输出特性IEIBIC条件：发射结正偏，集电结反偏

iCmA

uCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321特点：IC=βIB

；UC>UB>UE,UCE>UBE（1）放大区特性曲线中，接近水平的部分放大区IEIBIC（2）截止区条件：发射结反偏，集电结反偏特点：IB=

0;IC≈

0;UCE≈UCC，C与E之间相当于开路。IB=0曲线以下的区域。

iCmA

uCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321截止区IEIBIC条件：发射结正偏，集电结正偏。特点：uCE

≤

uBE

，

C与E之间相当于短路；

IB变化，IC基本不变化，失去了控制作用；临界饱和IBS=ICS/β,ICS≈UCC/RCIEIBIC（3）饱和区

iCmA

uCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=00510154321饱和区特性曲线左边UCE很小的区域饱和程度规定：uCE=uBE时的状态称为临界饱和状态，当uCE＜uBE时称为过饱和状态。饱和时uCE电压记为uCES，硅管uCES

≈0.3V。

iCmA

uCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321饱和区IEIBIC当晶体管饱和时，UCE≈0，发射极与集电极之间如同一个开关接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC≈0，发射极和集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大。可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关的作用。在模拟电子电路中主要起放大作用，在数字电路中主要起开关作用。IEIBIC

PNP三极管电流和电压实际方向。UCEUBE+

+

IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()

PNP三极管各极电流和电压的规定正方向。PNP三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。电压(UBE、UCE)实际方向与规定正方向相反。计算中UBE

、UCE

为负值；输入与输出特性曲线横轴为(-UBE)

、(-UCE)。补：三极管类型和工作状态的判断1.根据三极管的电流，判断三极管的类型某放大电路中，三极管三个极的电流方向如图，已知I1=-1.4mA，I2=-0.03mA，I3=1.43mA，确定三极管是NPN型还是PNP型，并区分出各极。123I1I3I2ECBPNP型2.根据三极管各极电位，判断三极管的类型三极管工作在放大状态，则发射结正偏，集电结反偏NPN型：UC>UB>UE，PNP型：UE>UB>UC硅管：｜UBE｜=0.6~0.8V，锗管：｜UBE｜=0.1~0.3V判断步骤:(1)从三个电压值中找出电位差为0.2V或0.7V左右的电压，它们必为B极和E极，并可以判断出是硅管还是锗管;(2)比较三个电压的大小，来确定NPN型还是PNP型管。例：测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。ECBNPN硅管CBEPNP硅管例：测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。ccccccPNPPNPPNPNPNNPNNPNbbbbbbeeeeee3.根据三极管各极的电位，判断三极管的工作状态放大状态：发射结正偏，集电结反偏；截止状态：发射结反偏，集电结反偏；饱和状态：发射结正偏，集电结正偏；NPN型：UBE<死区电压，三极管截止；UBE>死区电压，UCE≥UBE，三极管放大；UBE>死区电压，UCE<UBE，三极管饱和；PNP型：UBE>死区电压，三极管截止；UBE<死区电压，UCE≤UBE，三极管放大；UBE<死区电压，UCE>UBE，三极管饱和；例：晶体管三个电极对地的电位，判断其工作状态。UBE＝0.6VUCE＝5V放大UBE＝－1V截止饱和UBE＝0.6VUCE＝0.3V1.电流放大系数1.3.4晶体管的主要参数(2)共射交流电流放大系数

常用晶体管的

值在20~200之间。由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在特性曲线的近于水平部分，IC随IB成正比变化，

值才可认为是基本恒定的。(1)共射直流电流放大系数

说明：

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。(1)集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO(2)集电极和发射极之间的穿透电流ICEO(a)ICBO测量电路(b)ICEO测量电路ICBOceb

AICEO

Aceb小功率锗管ICBO约为几微安；硅管的ICBO小，有的为纳安数量级。当b开路时，c和e之间的电流。值愈大，则该管的ICEO也愈大。图2.1.11反向饱和电流的测量电路2.极间反向电流(1)集电极最大允许电流ICM当IC过大时，三极管的

值要减小。在IC=ICM

时，

值下降到额定值的三分之二。(2)集电极最大允许耗散功率

PCM过损耗区安全工作区将IC与UCE乘积等于规定的PCM值各点连接起来，可得一条双曲线。ICUCE<PCM

为安全工作区ICUCE>PCM为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安全工作区安全工作区过损耗区过损耗区图2.1.11三极管的安全工作区3.极限参数(3)极间反向击穿电压各电极之间的最大允许反向电压。

U(BR)CEO：基极开路时，集电极C和发射极E之间的反向击穿电压。

U(BR)CBO：发射极开路时，集电极C和基极B之间的反向击穿电压。

安全工作区同时要受PCM、ICM和U(BR)CEO限制。过电压ICU(BR)CEOUCEO过损耗区安全工作区ICM过流区IEIBIC例:某一晶体管的PCM=100mW，ICM=20mA，U(BR)CEO=15V，在下列几种情况下哪一种能正常工作（）？

A．IC=15mA，UCE=10VB．IC=40mA，UCE=2VC．IC=10mA，UCE=14VD．IC=10mA，UCE=3V√

iBuBE25ºC50ºCiCuCE晶体管参数与温度的关系温度每增加10

C，ICBO增大一倍。2.UBE随温度的升高而降低温度每升高1

C，

增加0.5%~1.0%。输出特性曲线之间的间距↑温度每升高1

C，UBE将下降2mV。3.ICBO随温度的升高而增大1.

随温度的升高而增大3DG11A用汉语拼音字母表示规格号用数字表示序号用字母表示器件的类型型号如：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示器件的材料如：A为PNP型Ge，B为NPN型Ge；C为PNP型Si，D为NPN型Si用数字表示电极数2为二极管，3为三极管晶体管的型号简称LED，是一种将电能转换为光能的半导体器件。此类管子通常由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，当导通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。目前发光二极管的颜色有红、黄、橙、绿、白和蓝6种，所发光的颜色主要取决于制作管子的材料，其中白色发光二极管是新型产品，主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。1.4光电器件1.4.1发光二极管1.4.2光敏二极管又称光电二极管，是一种将光信号转换成电信号的特殊二极管。其基本结构与普通二极管相似，管壳上装有玻璃窗口以接收光照。1.光敏二极管的特性曲线光敏二极管工作时，在电路中处于反向偏置,在一定的反向电压范围内，反向电流与光照度E成正比关系当无光照射时，伏安特性和普通二极管一样，其反向电流很小，称为暗电流

2.光敏二极管的主要参数

(1)最高反向工作电压URM

在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压。

(2)暗电流ID

是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。

(3)光电流IL

是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。

(4)正向压降UF1.4.3光敏晶体管(a)等效电路(b)符号又叫光电三极管，是靠光的照射强度来控制电流的器件。它可等效看作一个光电二极管与一个三极管的结合，所以它具有放大作用。一般仅引出集电极和发射极，其