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1、27465b,第1章 半导体器件,1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管及其应用 1.3 特殊二极管 1.4 晶体管 1.5 场效应晶体管,27465b,1.1 半导体的基本知识,1.1.1 半导体及其特性 1.1.2 本征半导体 1.1.3 杂质半导体 1.1.4 PN结及其单向导电性,27465b,1.1.1 半导体及其特性,1.光敏特性 半导体的导电能力随光照变化而有明显改变，利用这种特性可以做成各种光敏器件，如光敏电阻、光电耦合器等。 2.热敏特性 半导体的导电能力随温度变化而有明显改变，利用这种特性可以做成各种热敏元件。 3.掺杂特性 在纯净的半导体中掺入少量特定的杂质元素时
2、，它的导电能力可以大大提高，并且通过控制掺入杂质元素的浓度，就可控制它的导电性能。,27465b,1.1.2 本征半导体,1.什么是本征半导体 纯净的、结构完整的半导体晶体叫做本征半导体。 2.本征半导体的结构 常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。 3.本征半导体中的导电机理,27465b,图1-1 硅和锗的简化原子结构模型和晶体结构,27465b,图1-2 电子和空穴的移动,27465b,1.1.3 杂质半导体,1. N型半导体 在本征半导体中掺入微量的五价元素，如磷(P)、砷(As)等，由于杂质原子的最外层有5个价电子，则在晶体点阵中某些位置上，杂质原子取代硅(锗)原子，有4个价电子
3、与相邻的硅(锗)原子的4个价电子组成共价键，多余的一个价电子处于共价键之外，如图1-3所示。 2. P型半导体 在本征半导体中掺入少量的三价元素，如硼(B)、铟(In)等，由于杂质原子的最外层只有3个价电子，在与周围硅(锗)原子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空位，如图1-4所示。,27465b,27465b,27465b,1.1.4 PN结及其单向导电性,1. PN结的形成 如果在一块本征半导体上，通过一定的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在P型区和N型区的交界处就会形成一个特殊的带电薄层，称为PN结。 2. PN结的单向导电性 上面讨论的PN结处于平衡状态，
4、扩散电流和漂移电流处于动态平衡，通过空间电荷区的净电流为零。 1. PN结是如何形成的？ 2. PN结为什么会有单向导电性？温度对PN结的正向特性、反向特性有何影响？,27465b,1. PN结的形成,(1)内电场的建立扩散运动建立了空间电荷区和内电场 当P型半导体和N型半导体结合到一起时，在它们的交界面，两种载流子存在很大的浓度差。 (2)内电场对载流子的作用阻止多子扩散，促使少子漂移 多子的扩散形成内电场，这个内电场的方向与多子扩散方向相反，因此它阻碍多子扩散运动的进行。 (3)PN结形成 扩散运动和漂移运动是互相联系又互相矛盾的，多子的扩散使空间电荷区加宽，内电场增强，内电场的建立和增强
5、又阻止多子扩散，促使少子漂移；而少子漂移又使空间电荷区变窄，内电场减弱，又使扩散容易进行。,27465b,图1-5 PN结的形成,27465b,2. PN结的单向导电性,(1)PN结外加正向电压 PN结外加正向电压是指：外加电源的正极接到PN结的P端，负极接到PN结的N端，也称正向偏置，如图1-6a所示。 (2)PN结外加反向电压 PN结外加反向电压是指：外加电源的正极接到PN结的N端，负极接到PN结的P端，也称反向偏置，如图1-6b所示。,27465b,图1-6 PN结的单向导电性,27465b,1.2 半导体二极管及其应用,1.2.1 半导体二极管的结构 1.2.2 半导体二极管的伏安特性
6、 1.2.3 温度对二极管伏安特性的影响 1.2.4 半导体二极管的主要参数 1.2.5 半导体二极管的应用举例,27465b,1.2.1 半导体二极管的结构,图1-7 二极管的符号及几种外形,27465b,1.2.2 半导体二极管的伏安特性,1.正向特性 对应于图1-8的第段称为正向特性。 2.反向特性 图1-8的第段称为反向特性。 3.反向击穿特性 图1-8的第段称为反向击穿特性。,27465b,图1-8 二极管的伏安特性曲线,27465b,1.2.4 半导体二极管的主要参数,图1-9 温度对二极管伏安 特性的影响曲线,27465b,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压二极管 1.3.2
7、发光二极管 1.3.3 光敏二极管,27465b,1.3.1 稳压二极管,1.稳压管的稳压作用 稳压管的伏安特性如图1-14b所示，与普通二极管类似，只是它的反向击穿特性更陡一些。 2.稳压管的主要参数 3.稳压管稳压电路 图1-15是由稳压管VS和限流电阻R组成的最简单的稳压电路。,27465b,图1-14 稳压管的图形符号和伏安特性,27465b,2.稳压管的主要参数,(1)稳定电压UZ 稳定电压是指流过稳压管的反向电流为规定值时，稳压管两端的电压值。 (2)稳定电流IZ(或叫最小稳定电流IZmin) 稳定电流是指稳压管工作在稳压状态的参考电流，电流低于此值时，稳压效果变坏，甚至根本不能稳
8、压；高于此值时，只要不超过额定功耗都可以正常工作，且电流越大，稳压效果越好，但管子的功耗要增加。 (3)最大耗散功率PCM和最大工作电流IZmax 最大耗散功率和最大工作电压是指稳压管不致于产生过热而损坏时的最大功率损耗值。 (4)动态电阻rZ (5)稳定电压的温度系数,27465b,图1-15 稳压管稳压电路,27465b,3.稳压管稳压电路,(1)负载电阻RL不变，输入电压UI变化时 设输入电压UI增加，使输出电压UO也要随之增加，UO即为稳压管两端的电压。 (2)当输入电压UI不变，负载电阻RL变化时 设RL减小，则IO增大，电流IR也增大，引起限流电阻R上的压降UR增大，使输出电压UO
9、减小，由稳压管的伏安特性可知，当稳定电压稍有减小时，稳压管的电流IZ显著减小，使IR减小，限流电阻上的压降UR减小，最终使输出电压UO基本不变。,27465b,27465b,图1-16 发光二极 管的符号,27465b,1.3.2 发光二极管,图1-16 发光二极 管的符号,27465b,1.3.3 光敏二极管,图1-17 光敏二极 管的符号,27465b,1.4 晶体管,1.4.1 晶体管的基本结构和分类 1.4.2 晶体管的放大作用和电流分配原理 1.4.3 晶体管的伏安特性曲线 1.4.4 晶体管的主要参数 1.4.5 温度对晶体管参数的影响 1.4.6 复合晶体管,27465b,1.4
10、.1 晶体管的基本结构和分类,1)基区很薄，掺杂浓度在三个区中最低。 2)发射区掺杂浓度最高，远大于集电区。 3)集电结面积大于发射结面积，便于收集载流子。,27465b,1.4.1 晶体管的基本结构和分类,图1-18 晶体管的结构示意图和符号,27465b,1.4.2 晶体管的放大作用和电流分配原理,1.晶体管的三种组态 晶体管接入电路时必须涉及两个回路：输入回路和输出回路。 2.晶体管放大作用的内部条件和外部条件 3.晶体管内部载流子的传输过程 4.晶体管的电流分配关系,27465b,1.晶体管的三种组态,图1-19 晶体管的三种连接方式,27465b,2.晶体管放大作用的内部条件和外部条
11、件,晶体管要实现放大作用必须满足内部条件，也就是前面介绍的内部结构特点，即 基区很薄，掺杂浓度在三个区中最低；发射区掺杂浓度最高，远大于集电区；集电结面积大于发射结面积，便于收集载流子。,27465b,3.晶体管内部载流子的传输过程,(1)发射区向基区注入电子 发射结正偏，促进多数载流子的扩散运动，发射区的多数载流子自由电子源源不断地越过发射结注入基区(发射区发射电子)，形成电子注入电流IEN，与此同时，基区多子空穴也向发射区扩散，形成空穴注入电流IEP(图1-20b中未画出)。 (2)注入电子在基区复合与传输 发射区的多数载流子自由电子注入基区后，在发射结处浓度最大，而在集电结处浓度最小，在
12、基区中形成浓度差，使注入基区的电子将继续向集电结方向扩散。 (3)集电区收集电子 集电结反偏，促进少数载流子的漂移运动，使发射区发射到基区聚集在集电结边缘的电子很快漂移到集电区，到达集电区的电子被电源VCC的正极拉走，形成集电区的收集电流ICN，该电流是构成集电极电流IC的主要部分。,27465b,3.晶体管内部载流子的传输过程,图1-20 晶体管的直流偏置及电流分配,27465b,4.晶体管的电流分配关系,晶体管的电流分配关系 根据以上分析，晶体管在满足放大的内部结构条件和发射结正向偏置集电结反向偏置的外部条件下，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系： IEIEN=
13、ICN+IBN(1-5) 基极电流IB=IBN-ICBO(1-6) 集电极电流IC=ICN+ICBO(1-7) 发射极电流IE=IC+IB(1-8) 定义 =ICNIBN=IC-ICBOIB+ICBO(1-9) 称为共射直流电流放大系数，它是集电极收集到的电子数ICN与在基区复合掉的电子数IBN之比，意味着基区每复合一个电子，则有个电子扩散到集电区去。,27465b,1.4.3 晶体管的伏安特性曲线,1.输入特性 2.输出特性,27465b,1.输入特性,1)当UCE=0V时,UBE=UBC,此时晶体管的发射结和集电结相当于两个并接的二极管，当UBEUBE(th)时，晶体管的伏安特性就是两个并
14、接的二极管正向偏置时的伏安特性。 2)UCE1V时，其特性曲线与UCE=0V时相比右移。,27465b,图1-21 晶体管的输入特性,27465b,2.输出特性,(1)截止区 如图1-22所示，一般把IB0的区域称为截止区，此时IC=ICEO0，晶体管工作在截止区时没有放大作用。 (2)放大区 对于NPN型晶体管，发射结正向偏置UBE0.7V，集电结反向偏置UBC0，在输出特性曲线上有一段几乎是水平的部分称为放大区。 (3)饱和区 UCE较小时，一般UCE0.7V(硅管)，各条输出特性曲线的上升部分是晶体管的饱和工作区。,27465b,图1-22 晶体管的输出特性,27465b,1.4.4 晶
15、体管的主要参数,1.电流放大系数 电流放大系数是反映晶体管电流放大能力的基本参数，主要有直流电流放大系数和交流电流放大系数。 2.极间反向电流 3.极限参数 极限参数是为保证晶体管在放大电路中能正常安全工作所不能逾越的参数。,27465b,1.电流放大系数,(1)直流电流放大系数 共发射极直流电流放大系数，当ICICEO时，IC/IB。 (2)交流电流放大系数,27465b,2.极间反向电流,(1)集电极基极反向饱和电流ICBO 在共基极时，发射极开路(IE=0)条件下测得的集电极电流IC称为集电极-基极间的反向饱和电流ICBO，它是少数载流子在集电结反偏电压作用下形成的漂移电流。 (2)集电
16、极发射极反向穿透电流ICEO 在共发射极时，基极开路(IB=0)条件下所测得的从集电极流到发射极间的反向电流IC就是集电极反向穿透电流ICEO。,27465b,3.极限参数,(1)集电极最大允许电流ICM ICICM时下降，使晶体管性能下降，放大的信号严重失真。 (2)集电极最大允许功率损耗PCM PCM为集电极最大允许功率损耗，它与管芯的材料、大小、散热条件及环境温度等因素有关。 (3)集电极-发射极间的反向击穿电压U(BR)CEO 指基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。,27465b,1.4.5 温度对晶体管参数的影响,27465b,1.4.5 温度对晶体管参数的影响,27465b,(2)分析晶体管的工作状态,1)S接在触点A时，如图1-25a所示，VCC通过RB1为晶体管的发射结提供正偏电压，硅晶体管发射结导通电压UBE=0.7V，则有 2)S接在触点B时，如图1-25b所示，VCC通过RB2为晶体管的发射结提供正偏电压，UBE=0.7V，则有 3)S接在触点C时，如图1-25c所示，UBE=-1V，发射结反向偏置，晶体管
