第1章半导体器件

第1章常用半导体器件1.1半导体的基本知识1.2半导体二极管1.3晶体三极管1.4场效应管1.5单结晶体管和晶闸管1.6

集成电路1原子核＋导体含有大量的自由电子，具有良好的导电能力原子核＋半导体导电性能介于导体和绝缘体之间；具有光敏性、热敏性和掺杂性。1.1半导体基础知识原子核＋内部极少自由电子，几乎不导电。

绝缘体a.什么是半导体？2光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；b.半导体的特性1.1半导体基础知识3

c.硅和锗的原子结构

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，即每个原子最外层电子数为4个。++Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图Si+4Ge+4因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。1.1半导体基础知识4d.本征半导体的晶格结构在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4实际上半导体的晶格结构是三维的。共价键1.1半导体基础知识5＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。

本征激发:本征半导体在温度升高时产生电子空穴对的现象。＋＋e.本征半导体中的两种载流子1.1半导体基础知识6＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4整个半导体带电吗？为什么？参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。复合：价电子填补空穴的现象。1.1半导体基础知识7

半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别：金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是由本征激发产生的自由电子和复合运动产生的空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，电流的方向为空穴载流子的方向即自由电子载流子的反方向。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4半导体内部的两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。因此整个半导体不带电半导体的导电机理1.1半导体基础知识8＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4PN型半导体:

掺入五价元素磷的杂质半导体,由于自由电子多而称为电子型半导体f.掺杂半导体1.1半导体基础知识＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4B－P型半导体:

掺入三价元素硼的杂质半导体，由于空穴载流子的数量多称为

空穴型半导体。93P型半导体中的空穴多于自由电子，是否意味着带正电？N型半导体是否带负电？1自由电子导电和空穴导电的区别在哪里？

2何谓杂质半导体？N型半导体中的多子是什么？少子是什么？10g.PN结及其形成过程

杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件。在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷

－P区N区空间电荷区内电场1.1半导体基础知识11Ih.PN结的单向导电性（正向导通）内电场1.1半导体基础知识外电场IV++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区（耗尽层）12Ih.PN结的单向导电性（反向截止）内电场1.1半导体基础知识外电场

P区N区ISV空间电荷区（耗尽层）13Ii.PN结的电流方程1.1半导体基础知识当T=300K时，可以简化为，一般地：14Ij.PN结的伏安特性曲线1.1半导体基础知识U(V)0.50-50-25i(mA)当u>>UT时，正向特性反向特性反向击穿：齐纳击穿：掺杂浓度高，击穿电压低；雪崩击穿：掺杂浓度低，击穿电压高。

15Ij.PN结的电容效应(势垒电容)1.1半导体基础知识耗尽层U+△ULL+△LP区N区U(V)Cb(pF)势垒电容与外加电压的关系耗尽层的电荷随外加电压变化利用这个特性可以制成：变容二极管16Ij.PN结的电容效应(扩散电容)1.1半导体基础知识P区N区耗尽层平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子非平衡少子：PN结正偏时，P区和N区互相扩散的少子。xx非平衡少子的变化特征：1.靠近耗尽层交界面的浓度高，2.当正向电压加大时，浓度增大U1U2U3扩散区内的电荷积累和释放过程与电容的充放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容17回顾与总结1什么是半导体？半导体具有哪些特性？2半导体导电与金属导电的区别是什么？3PＮ结是如何形成的？ＰＮ结具有什么特性？181.2半导体二极管把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。根据其用途不同，可以分为：。检波管开关管稳压管整流管发光管

二极管简介19a.二极管的结构点接触型：1.结面积小，不能通过较大的电流2.结电容校小，工作频率高适用于高频检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。外壳触丝N型锗片正极引线负极引线1.2半导体二极管20a.二极管的结构N型锗面接触型：1.结面积大，能够通过较大的电流2.结电容也大，工作频率低适用于低频整流器件。负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线1.2半导体二极管21常用二极管的符号普通二极管检波管整流管稳压二极管DDZ1.2半导体二极管发光二极管DD光电二极管22b.二极管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。死区正向导通区反向截止区当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。这一区域称之为死区。外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。反向击穿区反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。1.2半导体二极管UBR23正向导通区的讨论U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区当外加正向电压大于死区电压时，二极管由不导通变为导通，电压再继续增加时，电流迅速增大，而二极管端电压却几乎不变，此时二极管端电压称为正向导通电压。

硅二极管的正向导通电压约为0.7V，

锗二极管的正向导通电压约为0.3V。1.2半导体二极管24反向截止区的讨论U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。反向电流有两个特点：

1.随温度的上升增长很快，

2.在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压的高低无关(与少子的数量有限)。所以通常称它为反向饱和电流。1.2半导体二极管25反向击穿区的讨论U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。反向电流有两个特点：

1.随温度的上升增长很快，

2.在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压的高低无关(与少子的数量有限)。所以通常称它为反向饱和电流。1.2半导体二极管26c.二极管的主要参数（1）最大整流电流IF(IDM)：由PN结的结面积和外界散热条件决定。（2）最高反向工作电压UR：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。（3）反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。随温度的变化而变化较大，可以用作温度传感器。（4）最大工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。1.2半导体二极管D27d.二极管的等效电路（由伏安特性折线化得到的等效电路）1.2半导体二极管

理想二极管理想二极管+电压源Uon理想二极管+电压源Uon+电阻rD28二极管正向电流估算方法URIUD

1.理想二极管

3.理想二极管+Uon+rD

2.理想二极管+Uon29例1.估算图中开关断开和闭合时的输出电压

1.开关断开时，二极管正向导通UoIUD=0.7V12V6V

2.开关闭合时，二极管反向截止30d.二极管的等效电路（微变等效电路）1.2半导体二极管UDiD313.半导体二极管工作在击穿区，是否一定被损坏？为什么？

1何谓死区电压？硅管和锗管死区电压的典型值各为多少？为何会出现死区电压？

2.把一个1.5V的干电池直接正向联接到二极管的两端，会出现什么问题？

4.二极管的伏安特性曲线上分为几个区？能否说明二极管工作在各个区时的电压、电流情况？

32整流二极管的应用（详见第10章）

将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流。利用二极管的单向导电性能就可获得各种形式的整流电路。半波整流电路全波整流电路B220V~RLDIN4001B220V~RLD1D2桥式整流电路D4B220V~RLD1D2D31.3常用二极管之一:整流二极管33用指针万用表测量整流二极管的方法正向导通电阻很小。指针偏转大。反向阻断时电阻很大，指针基本不动。选择万用表R×1k的欧姆档，其中黑表棒作为电源正极，红表棒作为电源负极，根据二极管正向导通、反向阻断的单向导电性将表棒对调一次即可测出其极性及好坏。34I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化、这就是稳压二极管的显著特性。D稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其反向击穿可逆。正向特性与普通二极管相似反向ΔIZΔUZ实物符号显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。1.3常用二极管之二:稳压二极管35+US－DZ使用稳压二极管时应该注意的事项(1)稳压二极管正负极的判别+－(2)稳压二极管使用时，应反向接入电路UZ－(3)稳压管应接入限流电阻(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值36

二极管的反向击穿特性：当外加反向电压超过击穿电压时，通过二极管的电流会急剧增加。

击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。如稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmin的范围内。在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就是利用这一点达到“稳压”效果的。稳压管正常工作是在反向击穿区。37发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。实物图图符号和

文字符号D单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源及光电耦合器中的发光元件等。发光二极管一般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。发光管正常工作时应正向偏置，因发光管属于功率型器件，因此死区电压较普通二极管高，其正偏工作电压至少要在1.3V以上。发光管常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列器件。1.3常用二极管之三:发光二极管38用万用表测量发光二极管的方法反向阻断时电阻很大，发光管不亮。正向导通电阻很小。发光管亮。思考作业:1.如何用数字表测量发光二极管?2.如何测量八段LED数码显示管?39光电二极管也称光敏二极管，是将光信号变成电信号的半导体器件，其核心部分也是一个PN结。光电二极管PN结的结面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。D光电二极管的正常工作状态是反向偏置。在反向电压下，无光照时，反向电流很小，称为暗电流；有光照射时，携带能量的光子进入PN结，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子—空穴对，称光生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流，其强度与光照强度成正比。光电二极管也称光敏二极管，同样具有单向导电性，光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。实物图图符号和

文字符号1.3常用二极管之四:

光电二极管401.利用稳压管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？3.在右图所示电路中，发光二极管导通电压UD＝1.5V，正向电流在5~15mA时才能正常工作。试问R的取值范围又是多少？

现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问：

(1)若将它们串联相接，可得到几种稳压值？各为多少？

(2)若将它们并联相接，可得到几种稳压值？各为多少？41NNP1.4晶体三极管1.晶体三极管的结构及类型结构：三区、两结和三电极；

分类：NPN型和PNP型。发射极e发射结集电结基区发射区集电区集电极c基极bNPN型PNP型PPNNPN型三极管图符号ecb注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。PNP型三极管图符号ecb42大功率低频三极管小功率高频三极管中功率低频三极管常见的晶体三极管432.三极管的电流放大作用晶体管芯结构剖面图e发射极集电区N基区P发射区Nb基极c集电极晶体管实现电流放大作用的内部结构条件(1)发射区掺杂浓度很高，以便有足够的载流子供“发射”。(2)为减少载流子在基区的复合机会，基区做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度极低。(3)集电区体积较大，且为了顺利收集边缘载流子，掺杂浓度界于发射极和基极之间。可见，双极型三极管并非是两个PN结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。44晶体管实现电流放大作用的外部条件NNPUBBRB＋－(1)发射结必须“正向偏置”，以利于发射区电子的扩散，扩散电流即发射极电流ie，扩散电子的少数与基区空穴复合，形成基极电流ib，多数继续向集电结边缘扩散。UCCRC＋－(2)集电结必须“反向偏置”，以利于收集扩散到集电结边缘的多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流ic。IEICIB整个过程中，发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和，即：IE=IB+IC45三极管的集电极电流IC稍小于IE，但远大于IB，IC与IB的比值在一定范围内基本保持不变。特别是基极电流有微小的变化时，集电极电流将发生较大的变化。例如，IB由40μA增加到50μA时，IC将从3.2mA增大到4mA，即：显然，双极型三极管具有电流放大能力。式中的β值称为三极管的电流放大倍数。不同型号、不同类型和用途的三极管，β值的差异较大，大多数三极管的β值通常在几十至几百的范围。

由此可得：微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流IC，故双极型三极管属于电流控制器件。

463.三极管的特性曲线所谓特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线，是三极管内部载流子运动的外部表现。从工程应用角度来看，外部特性更为重要。(1)输入特性曲线以常用的共射极放大电路为例说明UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB从0开始增加IBIE=IBUBE令UCC为0UCE=0时的输入特性曲线UCE为0时47UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新从0开始增加IBICUBE增大UCC让UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5VUCE=0.5V的特性曲线继续增大UCC让UCE=1V令UBB重新从0开始增加UCE=1VUCE=1V的特性曲线继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不再变化。实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特性通常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。UCE>1V的特性曲线48(2)输出特性曲线先把IB调到某一固定值保持不变。当IB不变时，输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。然后调节UCC使UCE从0增大，观察毫安表中IC的变化并记录下来。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性曲线。IBUCE/VIC

/mA049UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE再调节IB1至另一稍小的固定值上保持不变。仍然调节UCC使UCE从0增大，继续观察毫安表中IC的变化并记录下来。UCE根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。UCE/VIC

/mA0IBIB1IB2IB3IB=0如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。输出曲线开始部分很陡，说明IC随UCE的增加而急剧增大。当UCE增至一定数值时(一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明IC基本上不再随UCE而变化。50当IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致一定。当UCE超过1V以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC

。之后即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性。UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移，且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数β。ΔIB=40A取任意再两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差；再读出这两条曲线对应的集电极电流之差ΔIC=1.3mA；ΔIC于是我们可得到三极管的电流放大倍数：

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.551UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3输出特性曲线上一般可分为三个区：饱和区。当发射结和集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和状态。此时集电极电流IC与基极电流IB之间不再成比例关系，IB的变化对IC的影响很小。截止区。当基极电流IB等于0时，晶体管处于截止状态。实际上当发射结电压处在正向死区范围时，晶体管就已经截止，为让其可靠截止，常使UBE小于和等于零。放大区晶体管工作在放大状态时，发射结正偏，集电结反偏。在放大区，集电极电流与基极电流之间成β倍的数量关系，即晶体管在放大区时具有电流放大作用。524.三极管的电流放大位数和极限参数(1)电流放大倍数(2)极限参数①集电极最大允许电流ICMUCE/VIC

/mA0IB=043211.52.3②反向击穿电压U(BR)CEOcebUCCU(BR)CEO基极开路指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压。使用中若超过此值,晶体管的集电结就会出现雪崩击穿。Β值的大小反映了晶体管的电流放大能力。IC>ICM时，晶体管不一定烧损，但β值明显下降。③集电极最大允许功耗PCM晶体管上的功耗超过PCM，管子将损坏。安

全

区53晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区和集电区的掺杂质浓度差别较大，如果把两个极互换使用，则严重影响晶体管的电流放大能力，甚至造成放大能力丧失。晶体管的发射极和集电极能否互换使用？为什么?

晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，UCE<UBE，集电结也处于正偏，这时内电场被大大削弱，因此极不利于集电区收集从发射区到达集电结边缘的电子，这种情况下，集电极电流IC与基