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1、第一章半导体器件,1.1半导体的特性,1.2半导体二极管,1.3双极型三极管(BJT),1.4场效应三极管,1.1半导体的特性,半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,图 1.1.1硅原子结构,(a)硅的原子结构图,(b)简化模型,1.1.1本征半导体,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。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 1.1.2单晶体中的共价键结构,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,图 1.1.3本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子
2、,空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对。,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。,4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5. 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。,1.1.2杂质半导体,N
3、型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体,掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等,电子浓度多于空穴浓度，即 n p 。电子为多数载流子，空穴为少数载流子。,多余电子,磷原子,硅原子,二、 P 型半导体,掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,受主原子,空穴,图 1.1.5P 型半导体的晶体结构,1.2半导体二极管,1.2.1PN 结及其单向导电性,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。,图 1.2.1PN 结的形成,一、
4、 PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,图 1.2.1,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,图 1.2.1(b),5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流,空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；,等于零，空间电荷区的宽度达到
5、稳定。即扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 0.8) V,锗材料约为(0.2 0.3) V。,二、 PN 结的单向导电性,1. PN 外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.2.2,2. PN 结外加反向电压(反偏),不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生非常小的反向电流 IS ；,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。,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 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 结处于截
6、止状态。 可见， PN 结具有单向导电性。,1.2.2二极管的伏安特性,将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。,二极管的结构：,(a)外形图,半导体二极管又称晶体二极管。,(b)符号,图 1.2.4二极管的外形和符号,半导体二极管的类型：,按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型二极管。,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。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管
7、子的电流，I = f (U )之间的关系曲线。,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,图 1.2.5二极管的伏安特性,1. 正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。,相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右。,正向特性,死区电压,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,2. 反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小；,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；,这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。,击穿并不意味管
8、子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,结论：,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,1.2.3二极管的主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,2. 最高反向工作电压 UR,工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压 UBR 的一半定义为 UR 。,3. 反向电流 IR,通常希望 IR 值愈小愈好。,4. 最高工作频率 fM,fM
9、值主要 决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,1.2.4稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,稳压管用于稳压时工作于反向击穿区。,(b)稳压管符号,(a)稳压管伏安特性,图 1.2.6稳压管的伏安特性和符号,稳压管的参数主要有以下几项：,1. 稳定电压 UZ,3. 动态内阻 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 ，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 = 5 mA rZ 16 IZ = 20 mA rZ 3 ,IZ/mA,4. 电压
10、温度系数 U,稳压管电流不变时，环境温度每变化 1 引起稳定电压变化的百分比。,5. 额定功耗 PZ,额定功率决定于稳压管允许的温升。,PZ = UZIZ,PZ 会转化为热能，使稳压管发热。,电工手册中给出 IZM，IZM = PZ/UZ,稳压管电路,稳压管可串联使用（较常见），几个稳压管串联后，可获得多个不同的稳压值， 一般不并联使用。几个稳压管并联后，稳压值将由最低(包括正向导通后的电压值)的一个来决定。,讨 论 课 题（一）,如图所示硅稳压管稳压电路，要求输出直流电压6V。 1）试找出电路存在的直观错误。 2）在电路修改正确后，若已知稳压管的IZmax=40mA, 限流电阻选的是否合适？
11、,1.3双极结型三极管(BJT),又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(Bipolar Junction Transistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型为例进行讨论。,图 1.3.1三极管的外形,1.3.1三极管的结构,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图1.3.2三极管的结构,(a)平面型(NPN),e 发射极，b基极， c 集电极。,图 1.3.3三极管结构示意图和符号(a)NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极
12、c,发射极 e,基极 b,半导体三极管的型号,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：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,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,1.3.2三极管载流子的运动和电流分配关系,以 NPN 型三极管为例讨论,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,三极管内部结构要求：,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏
13、置状态。,3. 集电结面积大。,三极管中载流子运动过程, 发射区向基区注入电子，形成电子电流IEn，同时基区向发射区注入空穴，形成空穴电流IEp，因为IEnIEp，所以发射极电流IEIEn。, 注入电子在基区边扩散边复合，形成复合电流IBn。, 集电区收集扩散来的电子，形成集电极电流IC。, 集电结两边少子的漂移，形成集电结漂移电流， 通常称为反向饱和电流ICBO。,电子注入,复合,少子漂移,三极管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = ICn + ICBO,IE = ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp,一般要求 ICn 在 IE
14、 中占的比例尽量大。而二者之比称共基直流电流放大系数，即,一般可达 0.95 0.99,IB + ICBO = IBn + IEp,IE = IC + IB,三个极的电流之间满足节点电流定律，即,IE = IC + IB,代入(1)式，得,上式后一项常用穿透电流ICEO 表示。,当 ICEO IC 时，忽略 ICEO，则由上式可得,三极管的电流分配关系,交流放大倍数 和 的定义，根据三极管中三个电流的关系，可得,故 与 两个参数之间满足以下关系：,1.3.3三极管的特性曲线,1 输入特性,2 输出特性,放 大 区,截止区,饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0. 2 V(锗管)
15、，通常分别取0.3 V和0.1 V,放 大 区,截止区,发射结正偏,放大,i C= iB,集电结反偏,饱和,i C iB,两个结正偏,I CS= IBS,临界,截止,iB 0, iC 0,电流关系,状态,条 件,两个结反偏,Je正偏 Jc零偏,或Je正向电压0.5V,判断BJT工作状态电压比较法(NPN),Je正偏电压小于死区电压，Jc反偏,BJT截止,Je正偏,放大还是饱和？,先求IB,假设放大，再求IC,求UCE后与UBE比较,UCE UBE,BJT放大,UCE UBE,BJT饱和,I C = IB,UCE = UBE,BJT临界饱和,若饱和,则需利用UCES重新计算IC,P37 题114（a） ：已知三极管=50，UBE 0.7V 。试估算电路中的IC 、UCE，判断工作状态。,解: (1)Je正偏导通.,求IB,(2),(3) 求UCE,I C IB3.25mA,假设放大，求IC,UCE UBE,BJT放大,1.3.4三极管的主要参数,一、电流放大系数,是表征管子放大作用的参数。有以下几个：,1. 共射电流放大系数 ,2. 共射直流电流放大系数,3. 共基电流放大系数 ,4. 共基直流电流放大系数,二、反向饱和电流,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反向饱和电流 ICEO,小功率锗管 I
