半导体二级管和三极管

1、第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件主要内容：主要内容：1 半导体基础知识半导体基础知识2 半导体二极管半导体二极管3 晶体三极管晶体三极管 导体导体:小于小于10-3cm。 物质按其导电性物质按其导电性 绝缘体绝缘体:大于大于108cm。 半导体半导体: 介于两者之间。介于两者之间。 常用的半导体有硅常用的半导体有硅(Si)和锗和锗(Ge)。 图图1 Si和和Ge的原子结构示意图的原子结构示意图 半导体的特性半导体的特性 掺杂特性掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率大大下降而导电能力显著增强。半导体二极电阻率大大下降而导电能力显著增强。半导体二

2、极管、半导体三极管。管、半导体三极管。 热敏特性热敏特性：半导体的电阻率随着温度的上升而明半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力增强。热敏电阻。显下降，其导电能力增强。热敏电阻。 光敏特性光敏特性：当受到光照时，半导体的电阻率随着当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。光电二极管、光照增强而下降，其导电能力增强。光电二极管、光电三极管。光电三极管。1.1本征半导体本征半导体 定义：定义：纯净的具有晶体结构的半导体。纯净的具有晶体结构的半导体。 晶体结构晶体结构 晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。晶格。图

3、图2 Si晶格晶格本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理情况下达到电子饱和状态，形成稳定的化学结构叫情况下达到电子饱和状态，形成稳定的化学结构叫共价键。共价键。图图3 本征半导体共价键结构示意图本征半导体共价键结构示意图本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子 价电子受热或受光照（即价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣获得一定能量）后，可挣脱共价键的束缚，成为脱共价键的束缚，成为自自由电子由电子（带负电），同时（带负电），同时共价键中留下一个带正电共价键中留下一个带正电的的空穴空穴。 在

4、热激发下，本征半导体在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的中存在两种能参与导电的载流子：电子和空穴。载流子：电子和空穴。 图图4 本征半导体中本征半导体中 自由电子和空穴自由电子和空穴本征半导体的载流子的浓度本征半导体的载流子的浓度 本征激发：本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。穴对的现象称为本征激发。 复合：复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失。会填补空穴，使两者同时消失。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与

5、空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是一定的，并且一定的，并且自由电子与空穴浓度相等自由电子与空穴浓度相等。1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入少量的杂质元素，就可得到在本征半导体中掺入少量的杂质元素，就可得到杂质半导体。杂质半导体。 杂质半导体：杂质半导体：N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。 （1）N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价元素（磷、砷等）而在本征半导体中掺入五价元素（磷、砷等）而得到杂质半导体。得到杂质半导体。 掺杂

6、后，某些位置上的掺杂后，某些位置上的硅原子被五价杂质原子（如磷硅原子被五价杂质原子（如磷原子）取代。磷原子的原子）取代。磷原子的5个价个价电子中，电子中，4个价电子与邻近硅个价电子与邻近硅原子的价电子形成共价键，剩原子的价电子形成共价键，剩余价电子只要获取较小能量即余价电子只要获取较小能量即可成为可成为。同时，提供电子的磷原子因带正。同时，提供电子的磷原子因带正电荷而成为电荷而成为。 在在N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。度，称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 N型半导体主要靠自由电子导电。型半导

7、体主要靠自由电子导电。 （2）P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入（硼、铝等）而得（硼、铝等）而得到的杂质半导体。到的杂质半导体。 掺杂后，某些位置上的掺杂后，某些位置上的硅原子被三价杂质原子（如硼硅原子被三价杂质原子（如硼原子）取代。硼原子有原子）取代。硼原子有3个价个价电子，与邻近硅原子的价电子电子，与邻近硅原子的价电子构成共价键时会形成构成共价键时会形成，导致共价键中的电子很容易导致共价键中的电子很容易运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的成为不能移动的。空穴和负离子成对产生。空穴和负离子

8、成对产生。 在在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。1.3 PN结结 采用不同的掺杂工艺，将采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和型半导体和N型半导体型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成PN结。结。 （1）PN结的形成结的形成 扩散运动：扩散运动：物质总是由浓度高的地方向浓度低的物质总是由浓度高的地方向浓度低的地方运动。地方运动。浓度差浓度差，于是，于是P区空穴向区空穴向N区区扩散扩散，N区电子向区电子向P区区扩散扩散。 在一块本征半导体的在一块本征半导体的两边两边掺以不同的杂掺以不同的杂 质质，

9、使其一边形成使其一边形成P型半导型半导体，另一边形成体，另一边形成N型半型半导体，则在它们交界处导体，则在它们交界处就就出现出现了电子和空穴的了电子和空穴的漂移运动：漂移运动：内电场有利于少子运动：内电场有利于少子运动漂移。漂移。少子的运动与多少子的运动与多子运动方向相反子运动方向相反 另一方面，随着扩散运动的另一方面，随着扩散运动的进行，扩散到进行，扩散到P区的自由电子区的自由电子与空穴复合，扩散到与空穴复合，扩散到N区的空区的空穴与自由电子复合，穴与自由电子复合，P区一边区一边失去空穴留下负离子，失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，区一边失去电子留下正离子，形成形成空间电荷区空

10、间电荷区，产生，产生内建电场内建电场。内建电场方向由。内建电场方向由N区区指向指向P区，它阻止多子扩散运动，而有利于区，它阻止多子扩散运动，而有利于P区和区和N区区的少子漂移运动。随着扩散运动和漂移运动的进行，最的少子漂移运动。随着扩散运动和漂移运动的进行，最后会达到一种后会达到一种动态平衡动态平衡，参与扩散运动的多子数目等于，参与扩散运动的多子数目等于参与漂参与漂移运动的少子数目，形成移运动的少子数目，形成PN结结。 空间电荷区也称空间电荷区也称耗尽层耗尽层，即在空间电荷区能参与，即在空间电荷区能参与导电的载流子已耗尽完毕；空间电荷区又称导电的载流子已耗尽完毕；空间电荷区又称势垒区势垒区，势

11、垒高度为，势垒高度为U 。 PN结动态平衡时结动态平衡时PN结形成过程总结结形成过程总结（2）PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结加正向电压结加正向电压 PN外加正向电压时，外加正向电压时，内建电场被削弱，势内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，荷区宽度变窄，PN结电阻很小结电阻很小，电流较大。，电流较大。PN结正向导通。结正向导通。 所以：所以：在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。 PN结加反向电压结加反向电压 PN结加反向电

12、压时，结加反向电压时，内建电场被增强，势垒内建电场被增强，势垒高度升高，空间电荷区高度升高，空间电荷区宽度变宽。这就使得多宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零；扩散电流趋于零；而而处于优势处于优势，形成微小的反向的电流。形成微小的反向的电流。 流过流过PN结的反向电流称为反向饱和电流结的反向电流称为反向饱和电流(即即IS)，PN结呈现为大电阻。由于结呈现为大电阻。由于IS很小很小,可忽略不计可忽略不计,所所以该状态称为：以该状态称为：PN结反向截止结反向截止。 总结总结 PN结加正向电压时结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电正向扩散电流远大于漂移电流，

13、流， PN结导通结导通；PN结加反向电压时结加反向电压时，仅有很小的仅有很小的反向饱和电流反向饱和电流IS，考虑到，考虑到IS0，则认为，则认为PN结截止结截止。 二极管将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管 将将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成半导体二极管，简称二极管。由半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为区引出的电极为阳极，由阳极，由N区引出的电极为阴极。区引出的电极为阴极。（1）二极管常见结构）二极管

14、常见结构 点接触型：结面积小，电容小，适用于高频工作点接触型：结面积小，电容小，适用于高频工作 常见结构常见结构 面接触型：结面积大，电容大，适用于低频。面接触型：结面积大，电容大，适用于低频。 平面型：结面积可大可小。平面型：结面积可大可小。 图图 二极管的符号二极管的符号（2）二极管的伏安特性）二极管的伏安特性二极管两端的电压二极管两端的电压U及其流过二极管的电流及其流过二极管的电流I之之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。 二极管的伏安特性与二极管的伏安特性与PN结近似结近似 在近似分析时，用在近似分析时，用PN结的电流方程式描述二极结的电流方程式描述

15、二极管的伏安特性。管的伏安特性。)1(TUuseIiUT 为为二极管电压当量，常温下二极管电压当量，常温下UT 26mv,U0为正向特为正向特性，性，U0V时，特性曲时，特性曲线右移直至线右移直至UCE 1V时曲线基本重合。时曲线基本重合。二、二、 输出特性曲线输出特性曲线 三极管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电三极管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电流流iB为某一常数时，输出电流为某一常数时，输出电流iC与输出电压与输出电压uCE之之间的关系曲线，即间的关系曲线，即常数BiCECufi)(输出回路输出回路 基本共射放大电路基本共射放大电路2. 输出特性B)(CECIufi 对应于一个对

16、应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。 uCE较小时较小时iC随随uCE变变化很大，进入放大状化很大，进入放大状态曲线几乎是横轴的态曲线几乎是横轴的平行线。平行线。饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区BiCi常量CEBCUii晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路几乎仅仅决定于输入回路的电流的电流 iB，即可将输出回路等效为电流，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源控制的电流源iC 。1）截止区截止区 发射结和集电结均反偏，对于共射电路发射结和集电结均反偏，对于共射电路

17、iB=0。三。三极管失去放大作用且呈高阻状态，极管失去放大作用且呈高阻状态，e、b、c极之极之间近似看作开路。相当于一个断开的开关。间近似看作开路。相当于一个断开的开关。2）放大区）放大区 发射极正偏，集电极反偏。对于共射电路发射极正偏，集电极反偏。对于共射电路IC=IB，即，即IC受受控于控于IB，三极管是一种电流控制器件。在模拟电路，绝大，三极管是一种电流控制器件。在模拟电路，绝大多数情况下应保证三极管多数情况下应保证三极管工作在放大状态。工作在放大状态。放大区：放大区： 硅管：硅管：|UBE|=0.7V锗管：锗管：|UBE|=0.2V3）饱和区）饱和区 发射极与集电结均正向偏置。对于共射

18、电路发射极与集电结均正向偏置。对于共射电路此时此时iC明显随明显随uCE增大而增大增大而增大.（4）晶体管的主要参数晶体管的主要参数 一、直流参数一、直流参数 共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 极间反向电流极间反向电流 ICBO是发射极开路时，集电极与基极的反向饱和电流。是发射极开路时，集电极与基极的反向饱和电流。ICEO是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。两值是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。两值都受温度的影响，随温度的升高而增大，一般希望他们越都受温度的影响，随温度的升高而增大，一般希望他们越小越好。小越好。 二、交流参数二、

19、交流参数 共射交流电流放大系数共射交流电流放大系数 共基交流电流放大系数共基交流电流放大系数 特征频率特征频率 使共射电流放大系数使共射电流放大系数的数值下降到的数值下降到1的信号频率。的信号频率。三、极限参数三、极限参数 最大集电极耗散功率最大集电极耗散功率 对于确定的晶体管对于确定的晶体管PCM是一个常数，是一个常数， PCM=iCuCE。 最大集电极电流最大集电极电流ICM 使使值明显减小到正常值的值明显减小到正常值的2/3时对应时对应的的iC即为即为ICM。 极间反向击穿电压极间反向击穿电压 晶体管某一电极开路时，另外两个电极间所允许晶体管某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压称为极间反向击穿电压。分别为加的最高反向电压称为极间反向击穿电压。分别为U(BR)CBO、 U(BR)CEO和和U(BR)BEO。为可靠工作，使用。为可靠工作，使用中取中取Ucc(1/2-2/3) U(BR)CEO五、主要参数 直流参数：直流参数： 、 、ICBO、 ICEOc-e间击穿电压间击穿电压最大集电最大集电极电流极电流最大集电极耗散功最大集电极耗散功率，率，PCMiCuCE安全工作安全工作区区 交流参数：交流参数：、fT（使（使1的信号频率）的信号频率） 极限参数：极限参数：ICM、PCM、U（B