第1章半导体元件及其特性机械121课件

退出第1章半导体元件及其特性

二极管半导体基础知识与PN结晶体管退出1.1半导体基础知识

与PN结主要要求：

了解半导体材料的基本知识理解关于半导体的基本概念理解PN结的形成掌握PN结的单向导电作用退出

1.半导体的特点

自然界中的物质按导电性能可以分为半导体导电特性独有的特点导体半导体热敏性光敏性1.1.1

半导体的特点绝缘体杂敏性退出

2.本征半导体

常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），高纯度的硅和锗都是单晶结构，它们的原子整齐地按一定规律排列，原子间的距离不仅很小，而且是相等的。把这种纯净的、原子结构排列整齐的半导体称为本征半导体。

硅和锗的外层价电子都是4个，所以都是4价元素，右图是硅和锗的原子结构示意图。（a）硅原子结构（b）锗原子结构退出这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示：价电子（本征激发）自由电子-空穴对（1）温度越高，自由电子-空穴对数目越多；（2）自由电子-空穴数目相等，对外不显电性。硅（锗）原子在晶体中的共价键排列退出

3.掺杂半导体本征半导体实际使用价值不大，但如果在本征半导体中掺入微量某种杂质元素，就形成了广泛用来制造半导体元器件的N型和P型半导体。根据掺入杂质的不同掺杂半导体可以分为N型半导体P型半导体退出

（1）N型半导体——杂质为少量5价元素，如磷（P）；（2）P型半导体——杂质为少量3价元素，如硼（B）。N型磷原子自由电子自由电子——多数载流子空穴——少数载流子载流子数

电子数P型硼原子空穴空穴——多子自由电子——少子载流子数

空穴数退出注意：无论是N型还是P型半导体都是电中性，对外不显电性！！！退出退出内电场

1.PN结的形成

P区N区1.1.2

PN结形成与特性

2.PN结的特性

（1）PN结的正向导通特性——正偏导通（P区电位高于N区）正向电流IF+UR退出

+UR

2.PN结的特性

（1）PN结的反向截止特性——反偏截止（P区电位低于N区）反向电流IR退出要记住：（1）外加正向电压时PN结的正向电阻很小，电流较大，是多子扩散形成的；（2）外加反向电压时PN结的反向电阻很大，电流极小，是少子漂移形成的。要注意：

PN结电路中要串联限流电阻。退出退出1.2二极管主要要求：

了解半导体二极管的结构、类型、特性与参数掌握半导体二极管在电子技术中的应用退出1.2.1

二极管的结构与类型一个PN结加上相应的外引线，然后用外壳封装就成为最简单的二极管了，其中，从P区引出的引线叫做阳极或正极、从N区引出的引线叫做阴极或负极。常用D（Diode）表示二极管。图中的箭头表示正偏时的正向电流方向。退出分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型金属触丝N型锗P型层阳极阴极

面接触型P型扩散层锡支架N型硅SiO2保护层阴极阳极1.2.2

二极管的特性与参数

1.二极管的伏安特性

半导体二极管的内部就是一个PN结，因此二极管具有和PN结相同的单向导电性，实际的二极管伏安特性曲线如下图所示：u/Vi/mA正向特性死区电压反向特性IS0μA击穿电压击穿特性反向电流硅管2CP12锗管2AP9退出导通电压一般小功率硅二极管与锗二极管几个典型参数的比较：死区电压硅管——0.5V锗管——0.2V正向导通压降UF硅管——0.7V锗管——0.3V反向电流IR硅管——几μA以下锗管——几十到几百μA退出

2.二极管的主要参数

（1）最大整流电流IFM——指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。（2）最高反向工作电压URM——指二极管不击穿时所允许加的最高反向电压，URM通常是反向击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。（3）最大反向电流IRM——在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流，一般很小，但受温度影响很大。（4）最高工作频率fM——指二极管保持单向导电性时外加电压的最高频率。退出1.2.3

二极管的应用电路举例二极管是电子电路中常用的半导体器件，利用其单向导电性和正向压降很小的特点，可应用于整流、检波、钳位、限幅、开关以及元件保护等各项工作。

1.整流——整流就是利用二极管的单向导电特性将交流电变成单方向脉动的直流电的过程，这部分内容将在第6章作详细介绍。

退出

2.钳位

——利用二极管正向导通时压降很小的特性，可以组成钳位电路，如下图所示。图中若A点UA=0，二极管D正偏导通，压降很小，所以F点的电位也被钳制在0V左右，即UF近似为0。退出

3.限幅

——利用二极管正向导通后两端电压很小且基本不变的特性可以构成各种限幅电路，使输出电压限制在某一电压值以内。下图为一正、负对称限幅电路:ui=10sinωt（V），US1=US2=5V。可见，如忽略二极管正向导通压降，输出被限制在大约±5V之间。OtuO/V55-10ui

/VOt105-5退出

4.元件保护

——在电子线路中，经常利用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害。下图所示电路是利用二极管来保护开关S的保护电路。当开关S断开时，由于电流的突然中断，电感L将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势eL，eL与U叠加作用于开关S上，使开关S的寿命缩短。二极管D的接入，使eL通过二极管产生放电电流以释放能量，从而保护了开关S。退出退出1.3晶体管主要要求：

了解半导体三极管的结构、类型与参数掌握半导体三极管的电流分配关系掌握半导体三极管的特性曲线的含义理解三极管的放大作用退出

1.三极管的结构1.3.1

晶体管的结构和类型NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区NPN型ECB

三区三极两结集电区基区发射区集电极Collector基极Base发射极Emitter集电结发射结—集电区—发射区PPNPNP型退出三极管的分类按材料分按频率特性分按功率分硅管锗管高频管低频管大功率管中功率管小功率管按结构分NPN管PNP管退出下面以NPN管为例讨论三极管的电流分配与放大作用，所得结论一样适用于PNP三极管。1.3.2晶体管电流分配和放大作用注意：三极管放大的条件条件发射结正偏集电结反偏退出电流分配关系：（1）IE=IC+IB（2）IC=βIB（3）IE=IC+IB=（1+β）IB≈IC

三极管中还有一些少子电流，比如ICBO，通常可以忽略不计，但它们对温度十分敏感。退出

下图是测试三极管共发射极电路伏安特性曲线的电路图：1.3.3晶体管的特性曲线退出

1.输入特性曲线

uCE≧1V，集电结反偏，电场足以将发射区扩散到基区的载流子吸收到集电区形成IC，uCE再增大曲线也几乎不变死区电压与导通电压UBE硅管分别约为0.5V和0.7V锗管分别约为0.1V和0.3V（1）截止区——iB=0曲线以下的区域：

iC=ICEO≈

0，两结均反偏，三极管各电极电流均约等于0，所以可以等效为断开的开关；退出

2.输出特性曲线

放大区截止区ICEO饱和区（2）放大区——在iB=0的特性曲线上方，近似平行于横轴的曲线族部分：iC基本不随uCE变化仅受iB控制，iC=βiB，发射结正偏、集电结反偏，相当于受控电流源。

uCE

/ViC

/mA100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O246810252015105（3）饱和区——输出特性曲线近似直线上升部分：三极管饱和时管压降uCE很小，叫做饱和压降uCES，两结均正偏，相当于闭合开关。

退出1.3.4晶体管的主要参数1.电流放大系数交流电流放大系数直流电流放大系数

交流、直流电流放大系数的意义不同，但在输出特性线性良好的情况下，两个数值的差别很小，一般不作严格区分。