第一章 半导体器件教材

第一章半导体器件第一节半导体基本知识第二节二极管第三节特殊二极管第四节晶体管一、理解PN结的单向导电性，晶体管的电流分配和电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。本章要求第一节半导体基本知识半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。一、本征半导体

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。1、本征半导体的晶体结构晶体中原子的排列方式SiSiSiSiSiSi硅单晶中的共价健结构SiSiSiSiSiSi共价键：相邻两个原子共用一对最外层电子（价电子）的组合称为共价键。自由电子：共价键中的电子获得一定能量（温度升高或受光照）后，挣脱共价键的束缚（本征激发），形成自由电子。空穴：电子挣脱共价键的束缚形成自由电子后，共价键中留下一个空位，称为空穴。空穴带正电。一、本征半导体第一节半导体基本知识2、本征半导体中的两种载流子电子载流子空穴本征半导体中的电流电子电流空穴电流外电场作用3、本征半导体中载流子的浓度（1）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。（2）本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；（3）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。一、本征半导体第一节半导体基本知识半导体的导电特性：(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，导电能力显著增强一、本征半导体第一节半导体基本知识二、P型半导体和N型半导体

掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按掺入杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。1、P型半导体B原子与相邻的Si原子形成共价键时，少一个电子而形成一个空位（中性）相邻原子中的价电子很容易受到热或其他的激发填补这个空位，产生一个空穴B-B原子接受一个电子形成带负电的离子多数载流子--空穴少数载流子—自由电子第一节半导体基本知识2、N型半导体P原子与相邻的Si原子形成共价键时，多一个电子

在常温下多余电子很容易形成自由电子P+P原子失去一个电子形成带正电的离子多数载流子---自由电子少数载流子--空穴

二、P型半导体和N型半导体第一节半导体基本知识注意（1）无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性；（2）掺杂半导体中的多子大部分由掺杂的杂质提供；（3）掺杂半导体中多子的数量远远大于少子的数量。二、P型半导体和N型半导体第一节半导体基本知识三、PN结及其单向导电性1、PN结的形成多子的扩散运动浓度差空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。第一节半导体基本知识空间电荷区N区P区内电场－－－－－－－－－－－－++++++++++++少子的漂移运动2、PN结的单向导电性（1）PN

结外加正向电压导通三、PN结及其单向导电性第一节半导体基本知识N区P区－－－－－－－－－－－－++++++++++++内电场外电场IFPN结变窄内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。（2）PN

结外加反向电压截止PN结变宽三、PN结及其单向导电性第一节半导体基本知识N区P区－－－－－－－－－－－－++++++++++++内电场外电场IR内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。第二节二极管一、基本结构触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a

)

点接触型

结面积小、结电容小、正向电流小，高频性能好。一般用于高频小功率的电路或数字电路中的开关元件。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

)面接触型结面积大、正向电流大、结电容大，工作频率较低，一般用于低频电路或整流电路。阴极阳极(c)

符号D第二节二极管二、伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。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。正向特性反向特性特点：非线性UI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。硅管0.7V,锗管0.3V。第二节二极管三、主要参数1.

最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.

反向工作峰值电压URM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.

反向峰值电流IRM指在室温时，二极管承受最高反向工作电压时的反向漏电流。反向电流小，说明管子的单向导电性越好，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。第二节二极管例题例1-1已知电路如图所示，VDA和VDB为硅二极管，若UA=3V，UB=0V时，求输出端F的电压值UF。解：两个二极管存在优先导通现象。VDB优先导通VDA反向截止。UF=UB+0.7=0.7V例1-2

电路如图所示，已知电源电压US=5V，输入信号ui=10sinωtV，设二极管为理想元件，试画出输出电压uo的波形。第二节二极管例题解：理想二极管正向导通压降为0，反向截止漏电流为0。当ui

>US时二极管导通，输出电压uo

=US=5V；当ui

<US时二极管截止相当于开路，输出电压uo

=ui

。第二节二极管例题当ui

>US时二极管导通，输出电压uo

=US=5V；当ui

<US时二极管截止相当于开路，输出电压uo

=ui

。第三节特殊二极管一、稳压管UZIZIZM

UZ

IZ_+UIO稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，其特性曲线与普通二极管相似。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。

使用时要加限流电阻第三节特殊二极管一、稳压管UZIZIZM

UZ

IZUIO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、稳定电流IZ(IZmin)稳压管正常稳压时的一个参考电流值3、动态电阻rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。4、最大允许耗散功率

PZM=UZIZM第三节特殊二极管一、稳压管例1-3在图中电路，稳压管UZ=6V，PZM=200mW，IZmin=10mA；R=1kΩ。问若电源E在18～30V内变化时，输出电压UO是否基本不变，稳压管是否安全？I解：稳压管最大稳定电流：当E=18V时：当E=30V时：，稳压管工作在稳压区，UO=UZ=6V第三节特殊二极管二、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。第三节特殊二极管二、光敏二极管一种将光能转换为电能的半导体器件。光敏二极管在反向电压作用下工作。无光照时，和普通二极管一样，其反向电流很小，称为暗电流；有光照时，受激发的载流子通过外电路形成较大的反向电流，该电流称为光电流。照度E愈强，光电流也愈大。第四节晶体管晶体管又称三极管、双极型晶体管。一、基本结构

晶体管由两个PN结构成。类型:NPN型和PNP型。

发射区集电区基区C集电极E发射极

B基极NNP

集电结发射结CNNPNPN型EBBCE符号CPPNPNP型EBBCE符号第四节晶体管一、基本结构第四节晶体管一、基本结构（2）基区要制造得很薄且掺杂浓度很低。三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（3）集电结面积较大，便于收集载流子和散热。晶体管实现电流放大的内部条件。第四节晶体管二、电流分配与放大原理1、晶体管的工作原理晶体管实现电流放大的外部条件：发射结正偏、集电结反偏

EC>EB第四节晶体管二、电流分配与放大原理由RB、EB组成的电路接在晶体管B、E两端，称为输入回路；由RC、EC组成的电路接在晶体管的C、E两端，称为输出回路。发射极是输入回路与输出回路的公共端，这种电路称为共射放大电路。第四节晶体管二、电流分配与放大原理2、晶体管内部载流子的传输过程（1）发射区向基区扩散自由电子EBRBRCECIEPIEIEN发射结正偏，多数载流子（自由电子）的扩散运动加强；发射区自由电子不断扩散到基区形成电流IEN；基区空穴扩散到发射区形成电流IEP；由于基区掺杂浓度很低，空穴电流很小，IE≈IEN；第四节晶体管二、电流分配与放大原理EBRBRCEC（2）自由电子在基区扩散和复合发射结自由电子浓度很高，继续向集电结方向扩散；扩散过程中，自由电子与空穴复合。IBE电源VB的作用下，自由电子与空穴的复合运动不断进行，形成电流IBE；希望复合掉的自由电子越少越好，所以基区要做得薄，且掺杂浓度低（放大得内部条件）；IB

IB≈IBE第四节晶体管二、电流分配与放大原理（3）集电区收集从发射区扩散过来得自由电子集电结反偏，内部电场加强，促进少数载流子的漂移运动，从发射区扩散到基区的自由电子在集电结电场的作用下漂移到集电区，形成电流ICE；ICEICICBO（4）集电结的反向饱和电流IC≈ICE内电场加强，漂移运动加强，少数载流子得运动，形成电流ICBO，数值很小，但受温度影响很大。EBRBRCEC第四节晶体管二、电流分配与放大原理3、晶体管内电流的分配关系IC=ICE+ICBO

ICEIB=IBE-ICBO

IBE

:称为共发射极直流电流放大倍数第四节晶体管二、电流分配与放大原理IC=ICE+ICBOIB=IBE-ICBO当基极开路（IB=0）时，集电极电流为：

ICEO称为集电极与发射极间的反向饱和电流，也称为集电极发射极间的穿透电流。第四节晶体管二、电流分配与放大原理通常ICEO很小，所以上式表明，晶体管的集电极电流IC受控于其基极电流IB，用较小的基极电流可以控制较大的集电极电流，这就是晶体管的电流放大作用。第四节晶体管二、电流分配与放大原理4、晶体管的放大作用（1）输出电流变化量△IC比输入电流变化量△IB大倍，可得到电流放大；（2）输出信号电压，可得到电压放大；（3）输出信号功率大于输入功率第四节晶体管三、特性曲线晶体管特性曲线是表示晶体管各极间电压与电流之间的关系曲线，最常用的是共发射极接法时的输入、输出特性曲线。这些特性曲线可用晶体管特性图示仪直观地显示出来，也可以通过实验电路进行测绘。1、输入特性曲线输入特性是指当晶体管集电极与发射极电压UCE保持不变时，基极电流IB与基射极之间电压UBE的关系。第四节晶体管三、特性曲线0.40.280400.80.62060UCE=0VUCE>1VUBE/VIB/μA（1）当UCE

=0

时，相当于两个PN结并联，此时的输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似；（2）当UCE>0

时，输入特性曲线将向右移，即在UBE一定时，IB将随着UCE的增大而减小。（3）当UCE≥1V时，输入特性曲线重合.（4）存在一段死区当发射结电压大于死区电压时，才会有电流iB。第四节晶体管三、特性曲线2、输出特性曲线UCE

/VIC/mAIB=0IB=20μAIB=40μAIB=60μAIB=80μAIB=100μA03691212341.52.3输出特性是指当基极电流IB为常数时，输出电路集电极电流IC与集射极电压UCE之间的关系。

IB一定时，当UCE很小时，集电结的反向电压很小，对发射区扩散到基区的电子吸引力不够，故IC很小。IC随UCE的增加显著增加。当UCE≥1V时，电子绝大部分被拉入集电区，所以UCE再增大，IC也无明显变化。第四节晶体管三、特性曲线UCE

/VIC/mAIB=0IB=20μAIB=40μAIB=60μAIB=80μAIB=100μA03691212341.52.3截止区通常输出特性曲线分为三个区：（1）截止区

IB＝0曲线以下的区域，uBE＜0.5V晶体管截止，可靠截止uBE

≤0V；发射结反偏，集电结反偏。（2）放大区放大区

输出特性曲线近于水平部分的区域，也称为线性区。在放大区，，IB和IC成正比的关系。发射结正偏，集电结反偏。第四节晶体管饱和区UCE

/VIC/mAIB=0IB=20μAIB=40μAIB=60μAIB=80μAIB=100μA03691212341.52.3放大区截止区三、特性曲线（3）饱和区在特性曲线靠近纵坐标轴的区域，此时UCE

＜UBE

，发射结正偏，集电结正偏。第四节晶体管三、特性曲线RBEBEC=UCCRCIBICUBEUCE++--BCE

EC一定，如果增大IB，IC随之增大，RC上的压降也增大，UCE相应减小。当UCE下降到接近甚至低于UBE时，集电结由反偏转为零甚至正偏，集电结失去收集电子的能力，这时IC将不再随IB的增大而增加，这种现象称为饱和。深度饱和时，第四节晶体管三、特性曲线例1-4图示电路中，设晶体管的电流放大系数=50，UBE=0.7V，EC=12V，RC=6kΩ，RB=50kΩ。当UI=－2V、6V和2V时，试判断晶体管的工作状态。RBECRCIBICUCE+-UI+-V解：（1）当UI=－2V发射结处于反偏，晶体管处于截止状态，IB=0，IC=0，UCE=EC（2）当UI=6V发射结处于正向导通第四节晶体管三、特性曲线RBECRCIBICUCE+-UI+-V基极临界饱和电流为：IB>IBS，晶体管处于饱和状态。（3）当UI＝2V晶体管工作在放大状态。第四节晶体管三、特性曲线例：测得放大电路中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。12V3V3.7VVBCE硅管12V14.8V15VVBCE锗管第四节晶体管四、主要参数1.电流放大系数，

注意：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。常用晶体管的

值在20~200之间。直流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，交流电流放大系数第四节晶体管例1-5在下图中所给出3DG100晶体管的输出特性曲线上，（1）计算Q1点处的；（2）由Q1和Q2两点，计算。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q21.52.3解：（1）在Q1点处四、主要参数第四节晶体管IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q21.52.3（2）由Q1、Q2