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1、半导体的基础知识,1. 本征半导体,2. 杂质半导体,3. PN 结,本征半导体 ,1、本征半导体,半导体 ,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,纯净的不含任何杂质的半导体。如 硅、锗单晶体。,自由运动的带电粒子。,载流子 ,共价键 ,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。,半导体的原子结构和简化模型元素半导体硅和锗共同的特点：原子最外层的电子（价 电子）数均为4。,图1.1.1 硅和锗的原子结构和简化模型,空穴,自由 电子,图 硅单晶共价键结构,图 本征激发产生 电子空穴对,本征半导体 ,纯净的不含任何杂质的半导体。如 硅、锗单晶体。,共价键 ,相邻
2、原子共有价电子所形成的束缚。,载流子 ,自由运动的带电粒子。,电子空穴对,本征激发 产生自由电子 和 空穴对 复合 使自由电子空穴对消失,图 本征激发和复合的过程,半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。,半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 一定温度下,激发和复合达到动态平衡,载流子的浓度一定,结论：,1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。,2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。,3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,2、杂质半导体,一、N 型半导体,在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的5价元素（如磷）。,磷原子,自由电子,N型半导体的特点：,两种载流子中自由电子是多
3、子，空穴是少子；,主要靠自由电子导电。,N型半导体的简化图示,多数载流子,少数载流子,正离子,二、 P 型半导体,在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的3价元素（如硼）。,空穴,硼原子,P型半导体的特点：,空穴是多子，自由电子是少子；,主要靠空穴导电。,P 型半导体的简化图示,负离子,多数载流子,少数载流子,3、PN结,一、PN 结的形成,多子扩散运动,内电场促进少子漂移运动,空间电荷区,杂质离子形成空间电荷区,PN结,内电场建立,内电场阻止多子扩散运动,（一定宽度）,动态平衡,图 PN结的形成,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,1、
4、空间电荷区中没有载流子。,注意:,2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（ 都是多子）向对方运动（扩散 运动）。,二、PN 结的单向导电性,1. PN结外加正向电压时处于导通状态,P,N,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结呈现低阻性。,+,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思是： P 区 加正、N 区加负电压。,2. PN结外加反向电压时处于截止状态,P,N,+,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流，PN结呈现高阻性。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思是： P区加负、N 区加正电压。,PN结加正向电压时
5、，呈现低电阻，具有较 大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很 小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,三、PN 结的伏安特性,反向饱和电流,加正向电压时,加反向电压时,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿： (Zener),雪崩击穿：, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,反向击穿类型：,反向电场太强，将电子强行拉出共价键。,反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使载流子数突增。,PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,PN结的电容效应,1.势垒电容CB,2.扩散电容CD,(1
6、) 势垒电容CB,图9 势垒电容示意图,外加电压变化,空间电荷区的厚度改变,多子浓度梯度变化,(2) 扩散电容CD,外加正向电压变化,图 10 扩散电容示意图,小结,1. 本征半导体、N型半导体、P型半导体的特点,2. PN结的形成及特性,半导体二极管,1 半导体二极管的结构和类型,2 二极管的伏安特性,3 二极管的主要参数,4 特殊二极管,1 半导体二极管的结构和类型,构成：,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode),实质上就是一个PN结,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,(c)平面型,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工 艺
7、中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,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：,二极管实物图,2 二极管的伏安特性,反向击穿电压UBR,导通压降:硅管0.60.8V,锗管0.10.3V。,死区电压 硅管 0.5V,锗管0.1V,正向特性,反向击穿,半导体二极管的伏安特性曲线,1、正向特性 （1）0VVthVth死区电压开启电压 （2）VVth2、反向特性（1）VBRV0（2） VVBR VBR反向击穿电压,二极管的伏安特性曲线,IS 反向饱和电流， V 为二极管两端的电压降，
8、 VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,半导体二极管的参数,(1) 最大整流电流IF,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。,(2) 反向击穿电压VBR 和最大反向工作电压VRM,(3) 反向电流IR,(4) 正向压降VF,(5) 动态电阻rd,在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，
9、约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即rd =VF /IF,二极管的主要参数,1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流),2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2,3. IR 反向电流(越小,单向导电性越好),4. fM 最高工作频率(超过时,单向导电性变差),以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。,结论： (1) 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。 (2) 结面积小时结电容小，
10、最高工作频率高。,二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,1.2.4 特殊二极管,一 . 稳压二极管,符号,工作条件：反向击穿,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,稳压电路,当负载RL不变而输入电压增加时，,当输入电压不变而负载RL减小时，,稳压条件：,二 . 光电二极管,又称为光敏二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,实物照片,符号,三 . 发光二极管,工作条件
11、：正向偏置,一般工作电流几十 mA，导通电压 (1 2) V,1.二极管的伏安特性-正向特性、反向特性,小结,2.二极管的主要参数: IF 、VRM 、IR 、fM,3.特殊二极管及其应用,图 1 18 并联二极管上限幅电路,V, 限幅电平为V。u时二极管导通, uoV； uiV, 二极管截止, uou。波形如图-19(a)所示。 如果Um, 则限幅电平为。u, 二极管截止, uou；u, 二极管导通, uo。波形图如图 - ()所示。 如果m, 则限幅电平为-E, 波形图如图 - 19()所示。 ,图 1 - 19 二极管并联上限幅电路波形关系,半导体三极管,1 晶体三极管,2 晶体三极管的
12、特性曲线,3 晶体三极管的主要参数,4 特殊的晶体三极管,1 晶体三极管,一、结构、符号和分类,基极,发射极,NPN型,发射结,集电结,基本结构一,集电极,基区：较薄，掺杂浓度低,发射区：掺 杂浓度较高,制造工艺上的特点,集电区：面积较大, 掺杂浓度低,PNP型,基本结构二,分类：,按材料分： 硅管、锗管,按功率分： 小功率管 1 W,中功率管 0.5 1 W,三极管实物图,二 . 晶体管的电流放大作用,发射结正向偏置,集电结反向偏置,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 （1）工作在放大状态的外部条件：,(2)实现电路:,共集电极接法，集电极作为公共电极，用C
13、C表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,三极管的三种组态,(3) 满足放大条件的三种电路,(4) 三极管内部载流子的传输过程 (以NPN为例 ）,I CN,IE,I CBO,IB,I BN,1)发射结加正向电压，发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。,3)电子到达基区后，由于集电结加反向电压，电子漂移运动形成集电极电流 ICN。,2)扩散到基区的电子与空穴的复合形成基极电流 IBN 。,IC,基区的空穴来源：,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),所以 IBN IB + ICBO,IB = IBN ICBO,集电极电
14、流由两部分组成：和, 前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的, 后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。 于是有 N (1 - 6),发射极电流也应由两部分组成：和。为发射区发射的电子所形成的电流, 是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂, 所以忽略不计, 即。又分成两部分, 主要部分是, 极少部分是。,基极电流是与之差：,(1-7),(1-8),发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极, 形成集电极电流, 即要求。 通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系, 用来表示, 其定义为,(1-9),一般三极管的值为0.970.99。,(1-10),
15、通常CBO, 可将忽略, 由上式可得出,(1-11),三极管的三个极的电流满足节点电流定律, 即,将此式代入(1 - 10)式得,(1-12),经过整理后得,令,称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时, 又可写成,(1-13),(1-14),则,其中ICEO称为穿透电流, 即,表1 - 3 三极管电流关系的一组典型数据,共基极交流电流放大系数, 即,故,共射极交流电流放大系数, 即,显然与, 与其意义是不同的, 但是在多数情况 下, 。,晶体管的电流分配关系,三极管的电流放大作用,1三极管的电流放大作用就是基极电流 I B 的微小 变 化控制了集电极电流 IC 较大的变化。,2三极管放大电流时，被放大的 IC 是由电源 VCC 提供的，并不是三极管自身生成的，放大的实质是小信 号对大信号的控制作用。,3三极管是一种电流控制器件。,
