第1章 半导体器件

1第一章半导体二极管和三极管电子技术第四节、稳压管第五节、半导体三极管第三节、半导体二极管第二节、PN结第一节、半导体的导电特性第一章半导体二极管和三极管第一节半导体的导电特性一、半导体的特点二、本征半导体三、N型半导体和P型半导体4独特的导电特性1、热敏特性：Ta2、光敏特性：光照

3、掺杂特性：掺入微量元素第一节、半导体的导电特性导电能力导电能力导电能力一、半导体特点5第一节、半导体的导电特性14

+硅原子结构

4+简化模型纯净的具有晶体结构的半导体。二、本征半导体价电子4价元素（硅、锗）6第一节、半导体的导电特性共价键结构

4

4

4

4

4

4晶体结构——

纯净半导体原子排列整齐共价键结构——两个相邻原子共有一对价电子,价电子受相邻原子核的束缚,处于相对稳定状态。7第一节、半导体的导电特性共价键结构

4

4

4

4

4

4本征激发——价电子受热或光照后，挣脱束缚成为自由电子。常温下仅极少数。本征激发8第一节、半导体的导电特性共价键结构

4

4

4

4

4

4本征激发9第一节、半导体的导电特性共价键结构

4

4

4

4

4

4本征激发自由电子空穴10第一节、半导体的导电特性共价键结构

4

4

4

4

4

4自由电子空穴本征激发两种载流子：

电子空穴

成对出现11第一节、半导体的导电特性共价键结构

4

4

4

4

4

4电子流——电场作用下，自由电子的定向移动。自由电子电场电子流12第一节、半导体的导电特性共价键结构

4

4

4

4

4

4电子递补空穴流空穴流——电场作用下，电子依次递补空穴的运动。电场13第一节、半导体的导电特性共价键结构

4

4

4

4

4

4半导体电流=电子流+空穴流电场空穴流电子流14第一节、半导体的导电特性三、N型半导体和P型半导体N型半导体——掺入5价元素

P型半导体——掺入3价元素

杂质半导体——在本征半导体中掺入适量的杂质元素(非半导体元素)。5价元素——磷、砷等。3价元素——硼、镓、銦等。15第一节、半导体的导电特性N型半导体

4

4

4

4

4

5+5

多一个价电子掺杂16第一节、半导体的导电特性N型半导体

4

4

4

4

4

5多子-------电子少子-------空穴+5

掺杂本征激发

4N型半导体示意图电子正离子17第一节、半导体的导电特性P型半导体

4

4

4

4

4

3多一个空穴+3

掺杂18第一节、半导体的导电特性多子-------空穴少子-------电子P型半导体

4

4

4

4

4

3+3

P型半导体示意图负离子空穴掺杂本征激发第二节PN结一、PN结的形成二、PN结的单向导电性20

第二节、PN结N区P区负离子空穴正离子电子正负电荷中和，不带电一、PN结的形成

21第二节、PN结空间电荷区（耗尽层）内电场P区N区扩散运动——浓度差造成运动。复合——自由电子填补空穴，两者同时消失的现象。漂移运动——载流子在电场力作用下的运动。多子扩散运动少子漂移运动暴露了失去电子的正离子暴露了失去空穴的负离子22

第二节、PN结空间电荷区（耗尽层）内电场P区N区浓度差→多子扩散运动→复合→产生内电场→阻碍多子扩散→有利少子漂移运动→扩散运动和漂移运动达到动态平衡→形成一定宽度PN结多子扩散运动少子漂移运动23PN结

PNPN结:

P区和N区交界面处形成的区域空间电荷区:

区内只剩离子,带电耗尽层:

区内载流子少名称内电场第二节、PN结电位差约为零点几伏宽度为几微米~到几十微米24（一）外加正向电压——导通二、PN结的单向导电性（二）外加反向电压——截止第二节、PN结25内电场RE外电场P区N区ID外加正向电压外电场抵削内电场,有利于多子的扩散很大限流,防止电流太大第二节、PN结PN结多子中和部分离子,使空间电荷区变窄26REP区N区I反外加反向电压外电场增强内电场,有利于少子的漂移很小第二节、PN结PN结内电场外电场少子背离PN结移动，,空间电荷区变宽第三节半导体二极管一、二极管的结构三、二极管的伏安特性四、二极管的主要参数五、二极管应用举例二、二极管的单向导电性28阳极一、二极管的结构阴极+-符号3、分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型1、构成：2、符号：第三节、半导体二极管PN29

第三节、半导体二极管外壳阴极引线金属丝N型锗片N型硅二氧化硅保护层底座N型硅金锑合金铝合金小球PN结点接触型面接触型平面型30R

（一）外加正向电压——EID二、二极管单向导电性导通，ID大（二）外加反向电压——截止，I反很小EI反电流不为零第三节、半导体二极管R限流,防止电流太大31I/mAU/VO三、二极管的伏安特性死区UT导通电压:硅0.6-0.8

锗0.2-0.3非线性元件第三节、半导体二极管导通电压>死区电压,方能正常导通。（一）正向特性导通电压:

硅0.6-0.8V

锗0.1-0.3V死区电压:硅0.5

锗0.132I/mAU/VOISUBR死区UT导通电压:硅0.6-0.8

锗0.2-0.3死区电压:硅0.5

锗0.1反向饱和电流反向击穿电压第三节、半导体二极管2、反向击穿现象:

U反大到一定值时I反（二）反向特性1、U反较小时:I反很小,称为反向饱和电流。33第三节、半导体二极管3、产生反向击穿的原因

4、危害:二极管损坏①电击穿:U反大到一定值时,把共价键中的价电子强行拉出强电场引起自由电子加速与原子碰撞，将价电子从共价键中轰出②热击穿:

PN结上功耗大，热量高，PN结因过热烧毁。齐纳击穿：

雪崩击穿：34I/mAU/VOISUBR死区UT导通电压:硅0.6-0.8

锗0.2-0.3死区电压:硅0.5

锗0.1反向饱和电流反向击穿电压第三节、半导体二极管归纳35第三节、半导体二极管四、二极管的主要参数

正确选择和安全使用二极管的指标。

(一)最大整流电流IF

允许通过的最大正向平均电流。最大正向平均电流uitOuOtOui+-uO-+–+RL可在半导体手册中查到36第三节、半导体二极管（三）反向电流IR：即反向饱和电流。

I/mAU/VOISUBR（二）最高反向工作电压UR

二极管不被击穿所容许的最高反向工作电压,为UBR的一半。

反向饱和电流反向击穿电压硅几

A锗几十~几百

A

反向饱和电流硅管的温度稳定性比锗管好37第三节、半导体二极管（二）极间电容CPN+––+Rui1、PN结存在等效结电容

PN结中可存放电荷,相当一个电容。2、对电路的影响：外加交流电源时，当频率高时，容抗小，对PN结旁通，单向导电性被破坏。（三）最高工作频率fM38第三节、半导体二极管

将二极管的特性线性化处理,按线性电路方法处理。1、二极管理想化模型导通——视为短路截止——视为开路（一）二极管等效模型

五、二极管应用举例2、二极管恒压降模型导通——导通电压UD

截止——开路39第三节、半导体二极管IDUR-+UD-+导通电压:硅管取0.7V锗管取0.2V[例1-3-1]分别用二极管理想模型和恒压降模型求出IO

和UO

的值。IO=E

/R=6/6

=1(mA)UO=V

=6VUO=E

–UD=6

0.7=5.3(V)IO=UO/R=5.3/6

=0.88(mA)解:1、理想模型2、恒压降模型ER6V6KΩ40第三节、半导体二极管uOtO1、整流：改变信号波形，正弦波变脉动波。已知：二极管理想化求：uO波形ui+-（二）二极管应用举例uitOuO-+–+分两个半周分析

信号正半周时：D导通uO=ui

信号负半周时：D截止uO=0分析思路RL41第三节、半导体二极管２、检波作用：从载波信号中检出音频信号。讨论ui+-uO-+–+RLC旁路高频信号载波信号经二极管后负半波被削去检出音频信号ttt42第三节、半导体二极管３、限幅：把输出信号的幅度限制在某电平范围内。已知：二极管UD＝0.7V求：uO波形5uito3.7讨论+-3V+-uiuO-+–+uOto43第三节、半导体二极管B、分两个半周分析

信号正半周时：

ui<3.7V：D截止

uO＝ui。

ui>3.7V：D导通

uO＝3.7V。

信号负半周时：D截止

uO＝ui。A、二极管有导通电压

导通——UD=0.7V。

截止——视为开路。分析思路讨论44第三节、半导体二极管uAuBuO已知:UD＝0.7V求：uA、

uB

分别为0.3V、3V不同组合时的uO４、箝位与隔离

讨论

隔离作用——二极管D截止时，相当于断路，阳极与阴极被隔离。

箝位作用——二极管D导通时，管压降小，强制阳极与阴极电位基本相同。

-12VRDADBFAB45第三节、半导体二极管（1）uA与uB为相同电平时，DA、DB均导通。uO=0.3-0.7=-0.4V当uA=uB=3V时:uO=3-0.7=2.3V-0.4V0.3V0.3V3V3V2.3V当uA=uB=0.3V时:分析思路-12VRDADBuAuBuOFAB46第三节、半导体二极管0.3V3V2.3V（2）uA与uB为不同电平时：DA管的箝位作用：高电平使DA管优先导通，把uO箝位在2.3V,DB管加上反向电压，不再导通。二极管箝位作用分析思路DB管的隔离作用：把输入端B和输出端F隔离开。-12VRDADBuAuBuOFAB第四节稳压管一、硅稳压二极管及其特性二、硅稳压二极管主要参数48第四节、稳压管一、硅稳压二极管及其特性

（一）稳压作用

工作在反向击穿区域。

∆I大变化,∆U基本不变。（二）稳压管符号＋－阳极阴极正向运用：相当导通二极管UZ=0.7VUZ▵IZIZmaxIZ▵UZ＋－反向运用：

UZ＝U击，起稳压作用DzU/VI/mAO49(三)应用稳压管反向击穿不会损坏:

①经特殊工艺处理。②加限流电阻,保证IZ≤IZmax

。+UI-UOUZ+-

UI增加,UO基本不变,增加量由R承担。限流电阻调节电阻RDＺRL第四节、稳压管Uo=UZ50OI/mAU/V∆UZ∆IZUZIZ1、稳定电压

UZ：

反向击穿时电压值。2、稳定电流

IZ和最大稳定电流IZmax

：

IZ指对应稳定电压时的反向电流。

IZmax指稳压管允许通过的最大反向电流。4、动态电阻

rZ＝：愈小稳压效果好。二、硅稳压二极管主要参数第四节、稳压管IZmax3、最大耗散功耗：

PZM=UZIZmax51UZ>5~6V

正温度系数UZ<5~6V

负温度系数5V<UZ<6V

温度系数最小5、电压温度系数α：说明稳定电压随温度的变化程度。第四节、稳压管

电压温度系数——当环境温度变化1℃时稳定电压变化的百分比。例：2CW15的αU=0.07%/℃

温度提高，稳定电压增加OI/mAU/V∆UZ∆IZUZIZIZmax52第三节、半导体二极管归纳二极管1、二极管的特性：单向导电性。2、特性曲线：

导通电压、反向饱和电流、反向击穿电压。3、应用：整流、限幅、开关。

等效电路：理想化型、恒压降型。4、二极管的主要参数。

二极管的结电容。5、稳压管：二极管工作在反向击穿区域。第五节半导体三极管一、三极管的结构二、三极管的电流分配关系和电流放大作用三、特性曲线四、主要参数五、三极管应用举例54第五节、半导体三极管一、三极管的结构发射极基极集电极发射区基区发射结集电结集电区bceNPN型NNP55第五节、半导体三极管PPN发射极基极集电极发射区发射结基区集电结集电区bcePNP型56第五节、半导体三极管NNP几百微米几微米ebc三极管结构图b区薄,掺杂浓度最低c区面积最大e区掺杂浓度最高57第五节、半导体三极管

1、类型

NPN型

PNP型

e区掺杂浓度最高

2、结构特点

b区薄,掺杂浓度最低

c区面积最大

归纳

低频小功率管

3、按用途分类低频大功率管高频小功率管

高频大功率管开关管58第五节、半导体三极管三极管常见外型图59第五节、半导体三极管二、三极管的电流分配关系和电流放大作用三极管可用于放大(也可做电子开关)。放大——将微弱电信号增强到人们所需要的数值。ebc共发射极放大电路——发射极为交流输入和输出电压的公共端uCE输出端口+-uBE输入端口+-讨论具备什么条件才能起放大作用？60

e区掺杂浓度最高内部条件

b区薄,掺杂浓度最低

c区面积最大

一、放大的条件外部条件发射结正偏集电结反偏第五节、半导体三极管iBiEiCuBEEC+-RCEB+-RBui61第五节、半导体三极管加电原则（外部条件）发射结（e

结）正向运用集电结（c

结）反向运用+-UCB+-UCE+-UBENNPbece结c结NP+-正向运用bceRBEB+-RC+-ECRCRB+-ECEB+-62第五节、半导体三极管加电原则发射结（e

结）正向运用集电结（c

结）反向运用+-UCB+-UCE+-UBEPPNbece结c结RBRC+-ECRCRBbce讨论PNP管如何加电源？EB+-+-ECEB+-63第五节、半导体三极管电位特点

NPN型：VC＞Vb＞Ve

PNP型：

VC＜Vb＜VeUBE硅0.6~0.8V锗0.1~0.3VUCB几伏——十几伏

UCE＝UCB＋UBE

几伏——十几伏

UCE电压数值+-UCB+-UCE+-UBEbceRCRB+-ECEB+-64ECc极b极e极NPNc结e结RBEBRC三极管内部载流子运动正向偏置反向偏置多子少子忽略(二)

各电极电流的形成ICIBIE651、发射区向基区扩散电子

三极管各电极电流的形成2、电子在基区的扩散和复合e结加正向电压：3、集电区收集电子电源EB不断向基区补充空穴形成IB

。c结加反向电压电子越过c结被收集，并流集电极电源形成IC电源EC不断向发射区补充电子形成IE。多数向c结方向扩散少数与空穴复合

（浓度低忽略）发射区向基区扩散电子基区向发射区扩散空穴

66（三）电流分配及放大作用实验电路IBIEICRCRBEB+-+-ECmAmAμA调RB改变发射极电压UBE和基极电流IB不同IB对应不同的IC和IE67第五节、半导体三极管1、电流通路2、电流流向IBIEICNPN型：IC、IB流入，IE流出PNP型：IC、IB流出，IE流入RCRB+-ECEB+-68第五节、半导体三极管IB(mA)0-0.0040.020.040.06IC(mA)<0.0010.0040.701.502.30IE(mA)<0.00100.721.542.363、电流关系（1）IE=IB+IC（2）IC≫IBIE≈IC结论符合基尔霍夫电流定律69第五节、半导体三极管测量数据IB(mA)0-0.0040.020.040.06IC(mA)<0.0010.0040.701.502.30IE(mA)<0.00100.721.542.36（3）IB与IC的比例为常数称直流电流放大系数，用β表示电流放大作用70第五节、半导体三极管测量数据IB(mA)0-0.0040.020.040.06IC(mA)<0.0010.0040.701.502.30IE(mA)<0.00100.721.542.36(4)I

B微小变化引起了IC较大变化称交流电流放大系数，用β表示71第五节、半导体三极管（5）当

IE＝0，e极开路时ICBObcePNNIB(mA)0-0.0040.020.040.06IC(mA)<0.0010.0040.701.502.30IE(mA)<0.00100.721.542.36ICBO为反向饱和电流72第五节、半导体三极管(6)当

IB＝0，b极开路时ebcPNNIB(mA)0-0.0040.020.040.06IC(mA)<0.0010.0040.701.502.30IE(mA)<0.00100.721.542.36

ICEO

为穿透电流ICEO电流从c区穿过b区流到e区73三极管电流放大作用第五节、半导体三极管复合收集发射三极管结构确定后,IB与IC比例为常数。基区薄,掺杂浓度低,复合少,IB小。比例系数IB微小变化引起IC较大变化：结电压变，IE变，复合的IB小变化，收集的IC大变化。74第五节、半导体三极管直流电流放大系数

交流电流放大系数以IB小变化控制IC大变化

放大实质重要公式75[例1-5-1]判断三极管的电极、类型、材料。3.5V2.8V12V类型：材料：电极：讨论+-UCB+-UCE+-UBEEB+-EC+-RCRBbceUBE硅0.6~0.8取0.7V锗0.1~0.3取0.2V电位居中—b极两电位靠得近—e极剩下－c极NPN:VC最高PNP:VC最低解题思路76三、特性曲线IBICUCE+-+-UBE输入特性曲线：UCE一定时，IB~UBE关系输出特性曲线：

IB

一定时，IC~UCE关系

管子各电极电压与电流的关系曲线，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。可调电源限流电阻限流电阻EB+-RBRC+-ECµAmAVV77

(一)输入特性曲线e结相当一个二极管,但要受输出UCE的影响UCE≽1VIB/mAUBE/VOUCE=3VUCE=0VIB/mAUBE/VOIBICUCE+-+-UBERBRC+-ECEB+-µAmAVV近似重合78

（二）输出特性曲线截止区饱和区IBICUCE+-+-UBERBRC+-ECEB+-µAmAVVIB1=0IB2=20μAIB3=40IB4=60IB5=80IB6=1000UCE/VIC/mA123436912放大区79三个工作区域1、截止区：

IB=0以下区域，IC≈0特点：失去放大作用。截止区IB1=0IB2=20μAIB3=40IB4=60IB5=80IB6=1000UCE/VIC/mA123436912IB=0时,IC≈穿透电流ICEO802、放大区：曲线平坦部分

▵IB▵IC

特点：

①受控特性：IC受IB控制。

②恒流特性：IB一定时，IC不随

UCE而变化。▵uCE▵IC三个工作区域0IB=0μA20μA40μA60μAUCE/VIC/mA放大区369121234

曲线间距反映电流放大系数β

810UCE/(V)IC/(mA)3、饱和区:曲线上升部分,UCE很小，UCE＜UBE

特点：IC不受IB控制，失去放大作用。IC1IB1IC2IB2▵IB▵IC变化小,不成比例饱和区三个工作区域UCES饱和压降82三极管工作状态区分放大区饱和区截止区e结正向偏置正向偏置反向偏置c结反向偏置正向偏置反向偏置此时UCE<UBE+-UCB+-UCE+-UBEEB+-EC+-RCRBbce83三极管工作状态区分放大区饱和区截止区e结正向偏置正向偏置反向偏置c结反向偏置正向偏置反向偏置e结c结均反向偏置。+-UCB+-UCE+-UBEEB+-EC+-RCRBbce

硅管UBE<死区电压0.5V已开始截止，为使e结可靠截止,令UBE≤0（发射结零偏或反偏）。84四、主要参数（一）直流参数

衡量三极管处于直流工作状态时放大能力的参数。1、共射直流电流放大系数

（当IC>>ICEO时）2、极间反向电流ICBO，ICEO

衡量三极管质量优劣的参数。受温度影响很大。85ICBO反向饱和电流

反向穿透电流e极开路，c-b间加反压时。（1）集-基反向饱和电流ICBO（2）集-射反向穿透电流ICBOb极开路，c-e间加反压时。β不超过100尽可能小+-EC+-ECμAICEOμA少数载流子随温度增高而增大。86

描述晶体管处于交流工作状态（动态）时放大能力的参数。(二)交流参数

共射交流电流放大系数β

由于制造工艺的分散性，相同型号的管子β也有差异。β取20~100。87(三)极限参数ICM，PCM，UCEO最大集电极电流ICM:

超过时，β下降。ICM就是

β下降到正常值2/3时的IC。最大集电极耗散功率PCM:

PCM=IC.UCE

PCM与环境稳度有关，注意手册中对散热片的要求。为保证晶体管安全工作对它的参数的限制。+-UCB+-UCE+-UBEEB+-EC+-RCRBbce88极间反向击穿电压:UCBO——e极开路时，c结反向击穿电压。UEBO——c极开路时，e结反向击穿电压。UCEO——b极开路时，c极-e极反向击穿电压。I/mAU/VoU(BR)+-UCB+-UCE+-UBEEB+-EC+-RCRBbce反向击穿电压三极管有两个PN结89安全工作区0IB=0μA102030UCE/VIC/mAICM最大集电极电流PCM最大集电极耗散功率UCEO级间反向击穿电压PCM=ICUCE=常数安全工作区90tuiOtuOO模拟信号五、三极管应用举例1、放大EBRCRB10VECui+-91tui0tuO0截饱截饱截止区－开关打开饱和区－开关闭合+-uCE(uo)数字信号2、做电子开关3V10V0.3V截ui+-RCRB10VEC92归纳三极管1、特性：放大。2、放大实质：小IB控制大IC，电流控制作用。3、特性曲线及工作区域

状态判断工作区域

工作电压

饱和区

e结、c结均正偏

UCE

<1V放大区

e结正向，c结反偏

UCE>1V截止区

e结，c结均反偏

UBE

反向93归纳三极管4、电流关系

IE＝IB＋IC

IC＝βIB＋（1＋β）ICBO≈βIB

5、主要参数

6、应用

放大区→放大饱和区截止区→电子开关

直流参数、交流参数、极限参数。

第一章半导体二极管和三极管小结95（一）二极管的特性：单向导电性。（二）特性曲线：

导通电压、反向饱和电流、反向击穿电压。（三）应用：整流、限幅、开关。

等效电路：理想化型、恒压降型。一、二极管第一章、复习二、三极管(一)特性：放大。(二)放大实质：小IB控制大IC，电流控制作用。96(三)特性曲线及工作区域

状态判断工作区域

工作电压

饱和区

e结、c结均正偏

UCE

<1V放大区

e结正向，c结反偏

UCE>1V截止区

e结，c结均反偏

UBE

反向第一章、复习(四)电流关系

IE＝IB＋IC

IC＝βIB＋（1＋β）ICBO≈βIB

97(五)主要参数

(六)应用

放大区→放大饱和区截止区→电子开关

直流参数、交流参数、极限参数。

第一章、复习981.绝缘栅场效应管2.结型场效应管场效应管3.场效应管的参数、特点及使用注意99引言场效应管FET

(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET)特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2.输入电阻高(107

1015

，IGFET可高达1015

)100绝缘栅场效应管一、N沟道增强型MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层s