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1、第一章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 双极型晶体管,1.4 场效应管,1.熟悉P型、N型半导体的基本结构及特性 ； 2.掌握PN结的单向导电性 。,1. P型、N型半导体的形成和电结构特点； 2. PN结的正向和反向导电特性 。,1.1 半导体基础知识,学习目标：,学习重点：,1.1 半导体基础知识一、本征半导体,1、半导体,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是四价元素。,硅原子,锗原子,下一页,上一页,章目录,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。
2、,晶体结构是指晶体的周期性结构。即晶体以其内部原子、离子、分子在空间作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征,空穴,自由电子,2、本征半导体的晶体结构,（1）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。,（2）束缚电子：共价键中的价电子受共价键的束缚。,（3）自由电子：共价键中的电子获得一定能量（热能）后，挣脱共价键的束缚（本征激发），形成自由电子。,（4）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。,下一页,上一页,章目录,共价键,束缚 电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子运动方向与空穴运动方向
3、相反。,3、本征半导体中的两种载流子,载流子：能够自由移动的带电粒子。,4、本征半导体中载流子的浓度,本征激发：半导体在受热或光照下产生“电子空穴对”的 现象称为本征激发。,复合：自由电子填补空穴，使两者消失的现象称为复合。,动态平衡：在一定温度下，本征激发产生的“电子空穴对”，与复合的“电子空穴对”数目相等，达到动态平衡。在一定温度下，载流子的浓度一定。,下一页,上一页,章目录,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,下一页,上一页,章目录,本征半导体载流子浓度为：,T=300K时，本征半导体中载流子的浓度比较低，导电能力差。Si：1.431010cm-3 Ge：2.38101
4、3cm-3,T：热力学温度；,k：玻耳兹曼常数（8.6310-5eV/K）；,K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。（Si：3.871016cm-3K-3/2 ， Ge：1.761016cm-3K-3/2 ）；,EGO：热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度 （Si：1.21eV，Ge：0.785eV）；,自由电子,施主离子,电子空穴对,自由电子,二、杂质半导体,1、N型半导体,下一页,上一页,章目录,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。,在本征半导体中掺入微量五价元素。,硅原子,多余电子,磷原子,多数载流子-
5、自由电子 少数载流子-空穴,受主离子,电子空穴对,空穴,2、P型半导体,下一页,上一页,章目录,在本征半导体中掺入微量三价元素。,硅原子,空位,硼原子,多数载流子-空穴 少数载流子自由电子,空穴,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）。,a,b,c,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）,b,a,三、PN结,1、PN结的形成,下一页,上一页,
6、章目录,形成过程：,P型和N型半导体结合,扩散运动,内电场建立,阻碍扩散运动 促使漂移运动,动态平衡,形成空间电荷区,PN结形成,多子浓度差,空间电荷区,耗尽层,N区,P区,内电场,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,自由电子,空穴,2、PN结的单向导电性,（1）PN结上加正向电压,下一页,上一页,章目录,空间电荷区,N区,P区,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,内电场,外电场,外电场将载流子推入空间电荷区，抵消一部分空间电荷，使空间电荷区变窄，削弱内电场；,扩散运动增强，漂移运动减弱，平衡被打破，扩散运动大于漂移运动；,在电源的作用下，扩散运动不断进行，形成正向电流
7、，PN结处于导通状态。,I,（2）PN结上加反向电压,下一页,上一页,章目录,空间电荷区,N区,P区,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,内电场,外电场,外电场与内电场方向一致，空间电荷区变宽，内电场增强；,扩散运动减弱，漂移运动增强，平衡被打破，漂移运动大于扩散运动；,漂移运动是少子的运动，少子浓度小，形成反向电流很小，PN结处于截止状态。,IS,（3）PN结单向导电性,3、PN结的电流方程,下一页,上一页,章目录,PN结加正向电压，结电阻很小，正向电流较大，处于导通状态； PN结加反向电压，结电阻很大，反向电流很小，处于截止状态；,其中：IS：反向饱和电流； q：电子电量； k
8、：玻耳兹曼常数；T：热力学温度.,令：,则：,4、PN结的伏安特性,下一页,上一页,章目录,（1）正向特性,（2）反向特性,当uUT 时，,b、当反向电压超过一定数值U(BR)后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿。,齐纳击穿:,雪崩击穿:,较高反向电压在PN结空间电荷区形成一个强电场，直接破坏共价键形成“电子空穴对”，使得电流急剧增大；,电子及空穴与晶体原子发生碰撞，使共价键中电子激发形成自由电子空穴对。,5、PN结的电容效应,5、PN结的电容效应,1.2 半导体二极管,1.了解二极管的结构和类型 2.掌握二极管的伏安特性 3.熟悉二极管的使用方法 4 .了解发光二极管和光电二极管的性能、使用
9、方法 5 .熟悉稳压管的工作原理及使用方法,1.二极管的伏安特性 2.二极管的主要参数 3.稳压管的性能、主要参数,学习目标：,学习重点：,点接触型二极管是由一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和一块半导体（如锗）的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成。,由于点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可用来作小电流整流。如2AP1是点接触型锗二极管，最大整流电流为16mA，
10、最高工作频率为150MHz。,1.2 半导体二极管,一、常见结构,1.2 半导体二极管,二极管的符号,(b)面接触型,(c) 平面型 平面型二极管是集成电路中常见的一种形式。,面接触型二极管的结构如图（b）所示。由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。如2CP1为面接触型硅二极管，最大整流电流为400mA，最高工作频率只有3kHz。,二、伏安特性,1、正向导通,硅：0.5 V 锗： 0.1 V,伏安特性曲线,开启电压：Uon,导通电压：,硅：0.7 V 锗： 0.2V,2、反向截止,反向饱和电流 IS,反向击穿电压 U（BR）,
11、3、温度的影响,正向特性：T 上升 ，正向压降下降22.5mV，曲线左移；,反向特性：T 上升 ，IS 增加一倍，曲线下移。,二极管是非线性元件,三、主要参数,1、最大整流电流 IF,2、最高反向工作电压UR,3、反向电流 IR,4、最高工作频率 fM,二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。电流过大，结温太高而烧坏二极管。,二极管工作时，允许外加的最大反向电压。超过此值，二极管可能击穿。,二极管未击穿时的反向电流。 IR 越小，二极管的单向导电性越好。,二极管工作的上限频率。,四、二极管的等效电路,1、折线等效电路,二极管伏安特性具有非线性，分析电路时，常用线性元件所构成的电路等效代替
12、。,（1）理想二极管模型：正向导通压降为零，反向截止电流为零。,（2）正向导通压降为常数（硅管 0.7V；锗管 0.2V），反向截止电流为零；,（1）,两种等效电路：,（2）,2、微变等效电路,在Q点附近加上一个微小变化的量，则可用Q点为切点的直线近似微小变化时的曲线。,(动态电阻),幅值由rd与R分压决定,例题1：,试求输出电压uo。,解：,两个二极管存在优先导通现象。,D2导通，D1截止。,?,例题2：,试画出电压uo的波形。,UREF,解：,（1）uiUREF时，,（2）uiUREF时，,五、稳压二极管,1、伏安特性,UZ,IZmin,反向特性：,当I IZmin 时，没有稳压效果；,电
13、压基本稳定只要电流不超过一定值时，稳压管就不会因发热而损坏。,正向导通与 二极管相同,当I IZmin时，电压变化量很小，,2、主要参数,rZ越小，稳压效果越好；,（2）稳定电流IZ（IZmin）：电流小于此值时稳压效 果不好；,（3）额定功耗PZM：PZM=UZ IZM ；,（4）动态电阻rZ：,（1）稳压值UZ；,（5）温度系数：,IZM,-最大稳定电流,温度每变化1度稳压值的变化量。,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在IZM和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数，所以稳压电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管正常工作。,保证稳压管有稳压效果必须：,六、其它类
14、型二极管,1、发光二极管 具有单向导电性；加正向电压时导通就发光。导通时电压比普通二极管大。电流越大，发光越强。注意不要超过极限参数。 发光的颜色取决于所用材料。,2、光电二极管（自学）,发光二极管符号,用万用表 R*100 或 R*1K 档，任意测量二极管的两根引线，如果量出的电阻只有几百欧姆（正向电阻），则黑表笔（即万用表内电池正极）所接引线为正极，红表笔（即万用表内电源负极）所接引线为负极。,用万用表判断二级管正负极：,1.了解三极管的基本结构，熟悉其放大原理； 2.掌握三极管电流分配关系，熟悉其输入、输出特性。,1.3 晶体三极管,学习目标：,1.三极管的电流分配关系和放大原理； 2.
15、三极管的输出特性曲线和基本参数。,学习重点：,一、晶体管的结构及类型,晶体三极管又称双极型晶体管、半导体三极管、三极管等。,发射区,集电区,基区,三极管的结构特点: （1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。 （2）基区要制造得很薄且浓度很低。,半导体三极管由两个PN 结构成。类型:NPN 型和PNP 型。,c 集电极,e 发射极,b 基极,集电结(Jc),发射结(Je),集电极,二、电流分配与放大原理,1、内部载流子的运动规律,以NPN管共射放大电路为例,EcEB,放大状态：发射结正偏，集电结反偏。,（1）发射区向基区扩散自由电子,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；,发射极电流： IEIEP+IEN ；,发射结(Je),（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；,IBN,扩散
