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1、第第一一章章 半导体器件半导体器件 第一节第一节 半导体基本知识半导体基本知识 第二节第二节 二极管二极管 第三节第三节 特殊二极管特殊二极管 第四节第四节 晶体管晶体管 一、理解PN结的单向导电性，晶体管的电流 分配和电流放大作用； 二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构 造、工作原理和特性曲线，理解主要参 数的意义； 三、会分析含有二极管的电路。 本本 章章 要要 求求 第一节第一节 半导体基本知识半导体基本知识 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 一、本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。 1、本征半导体的晶体结构 晶体中原子的排列方式 Si Si S
2、i Si Si Si 硅单晶中的共价健结构 Si Si Si Si Si Si 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。 自由电子：共价键中的电子获得 一定能量（温度升高或受光照） 后，挣脱共价键的束缚（本征激 发），形成自由电子。 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。 一、本征半导体 第一节第一节 半导体基本知识半导体基本知识 2、本征半导体中的两种载流子 电子 载流子 空穴 本征半导体 中的电流 电子电流 空穴电流 外电场作用 3、本征半导体中载流子的浓度 （1）自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复
3、合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态 平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。 （2）本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； （3）温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性 能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 一、本征半导体 第一节第一节 半导体基本知识半导体基本知识 半导体的导电特性：半导体的导电特性： ( (可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻) )。 掺杂性掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变能力明显改变( (可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三
4、极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。 光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化 ( (可做可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等管、光敏三极管等) )。 热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强 一、本征半导体 第一节第一节 半导体基本知识半导体基本知识 二、P型半导体和N型半导体 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。 1、P型半导体(掺入硼B) B原子与相邻的Si原 子形成共价键
5、时， 少一个电子而形成 一个空位（中性） 相邻原子中的价电 子很容易受到热或 其他的激发填补这 个空位，产生一个 空穴 B- B原子接受 一个电子 形成带负 电的离子 多数载流子-空穴 少数载流子自由电子 2、N型半导体(掺入磷P) P原子与相邻的Si 原子形成共价键 时，多一个电子 在常温下多余电 子很容易形成自 由电子 P+ P原子失去 一个电子 形成带正 电的离子 多数载流子-自由电子 少数载流子-空穴 注意 （1 1）无论）无论N N型或型或P P型半导体都是中性的，型半导体都是中性的， 对外不显电性；对外不显电性； （2 2）掺杂掺杂半导体中的多子大部分由掺杂半导体中的多子大部分由掺
6、杂 的杂质提供；的杂质提供； （3 3）掺杂掺杂半导体中多子的数量远远大于半导体中多子的数量远远大于 少子的数量。少子的数量。 1. 1. 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a. a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。 2. 2. 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 （a. a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。 3. 3. 当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 （a. a. 减少、减少、b. b. 不变、不变、c. c. 增多）。增多）。 a a b b c c b b a a 4. 4. 在外加电压
7、的作用下，在外加电压的作用下，P P 型半导体中的电流型半导体中的电流 主要是主要是 ，N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。 （a. a. 电子电流、电子电流、b.b.空穴电流）空穴电流） 三、PN结及其单向导电性 1、PN结的形成 多子的扩散运动 内电场 少子的漂移运动 浓度差 P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体 内电场越强，漂移运动越内电场越强，漂移运动越 强，而漂移使空间电荷区变强，而漂移使空间电荷区变 薄。薄。 扩散的结果使空间 电荷区变宽。 空间电荷区 也称 PN 结 扩散和漂移这一扩散和漂移这一 对相反的运动最终对相反的运动最终 达到达到动态平衡动
8、态平衡，空，空 间电荷区的厚度固间电荷区的厚度固 定不变。定不变。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空间电荷区 2、PN结的单向导电性 （1） PN 结外加正向电压导通 PN 结变窄 外电场IF 内电场被削内电场被削 弱，多子的弱，多子的 扩散加强，扩散加强， 形成较大的形成较大的 扩散电流。扩散电流。 PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。 内电场 P N + + + + + + + + + + +
9、 + + + + + + + + （2） PN 结外加反向电压截止 外电场外电场 内电场内电场 P P N N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + PN PN 结变宽结变宽 内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少 ，形成很小的 反向电流。 IR 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。 PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，反向电阻较大，PNPN
10、结处于截止状态。结处于截止状态。 第二节第二节 二二 极极 管管 一、基本结构 触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线 外壳 ( a ) 点接触型 结面积小、结电容小、正向 电流小，高频性能好。一般用于 高频小功率的电路或数字电路中 的开关元件。 铝合金小球 N型硅 阳极引线 PN结 金锑合金 底座 阴极引线 ( b ) 面接触型 结面积大、正向电流大、结 电容大，工作频率较低，一般 用于低频电路或整流电路。 阴极阳极 (c) 符号 VD 二、伏安特性 硅管硅管0.5V,0.5V,锗锗 管管0 0.1V.1V。 反向击穿 电压U(BR) 导通压降 外加电压大于死区电 压二极管才能导通。 外加电压大
11、于反向击穿电压二极 管被击穿，失去单向导电性。 正向特性 反向特性 特点：非线性特点：非线性 U I 死区电压P N + P N + 反向电流在 一定电压范围 内保持常数。 硅管硅管0.7V,0.7V,锗锗 管管0 0.3V.3V。 三、主要参数 1. 最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均 电流。 2. 反向工作峰值电压URM 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二 极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向 导电性被破坏，甚至过热而烧坏。 3. 反向峰值电流IRM 指在室温时，二极管承受最高反向工作电压时的反向漏电 流。反向电流小，说
12、明管子的单向导电性越好，IRM受温度的 影响，温度越高反向电流越大。 例1-1 已知电路如图所示，VDA和VDB为硅二极 管，若UA=3V，UB=0V时，求输出端F的电压值UF。 解：两个二极管存在优先导 通现象。 VDB优先导通 VDA反向截止。 UF=UB+0.7=0.7V 例1-2 电路如图所示，已知电源电压US=5V， 输入信号ui=10sint V，设二极管为理想元件，试画 出输出电压uo的波形。 解： 理想二极管正向导通压降为 0，反向截止漏电流为0。 当ui US时二极管导通， 输出电压 uo = US = 5V； 当ui US时二极管导通，输出电压 uo = US = 5V；
13、当ui E E B B 二、 电流分配与放大原理 由RB、EB组成的电路接在晶体管B、E两端，称为 输入回路；由RC、EC组成的电路接在晶体管的C、E 两端，称为输出回路。 发射极是输入回路与输出回路的公共端，这种电路 称为共射放大电路。 2、晶体管内部载流子的传输过程 （1）发射区向基区扩散自由电子 EB RB RC EC IEP IE IEN 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； 由于基区掺杂浓度很低， 空穴电流很小，IEIEN； EB RB RC EC （2）自由电子在基区扩散和复合
14、发射结自由电子浓度很高，继 续向集电结方向扩散； 扩散过程中，自由电子与空穴复合。 IBE 电源VB的作用下，自由电子 与空穴的复合运动不断进行， 形成电流IBE； 希望复合掉的自由电子越 少越好，所以基区要做得薄 ，且掺杂浓度低（放大的内 部条件）； IB IBIBE （3）集电区收集从发射区扩散过来得自由电子 集电结反偏，内部电场加强 ，促进少数载流子的漂移运动， 从发射区扩散到基区的自由电子 在集电结电场的作用下漂移到集 电区，形成电流 ICE ； ICE IC ICBO （4）集电结的反向饱和电流 ICICE 内电场加强，漂移运动加强 ，少数载流子得运动，形成电 流 ICBO ，数值很
15、小，但受温度 影响很大。 EB RB RC EC 3、晶体管内电流的分配关系 I I C C = = I ICE CE + +I I CBO CBO I I CECE I I B B = = I IBE BE - - I I CBO CBO I I BEBE : :称为共发射极称为共发射极直直 流流电流放大倍数电流放大倍数 当基极开路（IB=0）时，集 电极电流为： ICEO称为集电极与发射极间 的反向饱和电流，也称为集电 极发射极间的穿透电流。 通常ICEO很小，所以 上式表明，晶体管的集电极 电流IC受控于其基极电流IB，用 较小的基极电流可以控制较大 的集电极电流，这就是晶体管 的电流放
16、大作用。 4、晶体管的放大作用 （1）输出电流变化量IC比输入电流变化量IB 大 倍，可得到电流放大； （2）输出信号电压 ，可得到电压放大； （3）输出信号功率大于 输入功率 第四节第四节 晶晶 体体 管管 三、 特性曲线 晶体管特性曲线是表示晶体管各极间电压与电流 之间的关系曲线，最常用的是共发射极接法时的输 入、输出特性曲线。这些特性曲线可用晶体管特性 图示仪直观地显示出来，也可以通过实验电路进行 测绘。 1、输入特性曲线 输入特性是指当晶体管集电极与发射极电压UCE 保持不变时，基极电流IB与基射极之间电压UBE的关 系。 0.40.2 80 40 0.80.6 20 60 UCE=0V UCE1V UBE/V IB/A （1）当UCE =0 时，相当于两个PN 结并联，此时的输入特性曲线与二 极管的正向伏安特性曲线相似； （2）当UCE0 时，输入特性曲线 将向右移，即在UBE一定时，IB将 随着UCE的增大而减小。 （3）当UCE1V时，输入特性曲线重合. （4）存在一段死区 当发射结电压大于死区电压时，才会有电流iB。 输入特性曲线 2、输出特性曲线 UCE / V IC
