第1章半导体器件

半导体物理基础知识一、半导体的结构特点二、半导体的分类三、PN结本征半导体杂质半导体PN结的形成PN结的单向导电性---本征激发现象P型半导体N型半导体第1章半导体基础与半导体器件半导体二极管一、半导体二极管的结构特点二、半导体二极管的伏安特性正向特性反向特性三、二极管的电路模型四、含二极管电路的分析五、二极管的主要参数六、稳压二极管第1章半导体基础与半导体器件半导体三极管一、半导体三极管的结构特点三、半导体三极管的伏安特性输入伏安特性输出伏安特性二、三极管的电流放大原理四、三极管的主要参数{end}第1章半导体基础与半导体器件半导体的结构（1）半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体材料。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

自然界的物体根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分为导体、绝缘体和半导体。半导体材料(SemiconductorMaterials)半导体的结构（2）

半导体的共价键结构硅晶体的空间排列硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构

半导体在常温下几乎不导电{end}本征半导体本征半导体(IntrinsicSemiconductors)

化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。本征激发： 当外界给半导体施加能量时，一些共价键中的电子会脱离共价键的束缚成为自由电子，而在原来的位置上产生一个空穴(hole)。这种现象称为本征激发。自由电子空穴电子空穴对电子空穴对可参与导电杂质半导体（1）杂质半导体(ExtrinsicSemiconductors)

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。杂质半导体（2）

N型半导体

因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

在N型半导体中自由电子是多数载流子(多子），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）,

由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。电子空穴对电子杂质半导体（3）P型半导体

因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。空穴电子空穴对{end}PN结的性质——

PN结的形成

在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡，PN结形成。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

P区N区空间电荷区内电场PN结的性质—PN结的单向导电性（1）当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏(ForwardBias)PN结加正向电压时（Forward-BasedPNJunction)特点：低电阻大的正向扩散电流

PN结的伏安特性PN结加正向电压时的导电情况外电场PN结的性质--PN结的单向导电性（2）PN结的伏安特性

当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏(ReverseBais)。

PN结加反向电压时(Reverse-BasedPNJunction)特点：高电阻很小的反向漂移电流PN结加反向电压时的导电情况外电场PN结的性质——PN结的单向导电性（3）

PN结加正向电压时，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。{end}半导体二极管(Diode)结构（1）

将PN结用外壳封装起来,并加上电极引线就构成了半导体二极管,简称二极管。半导体二极管(Diode)结构（2）二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(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。(a)点接触型

二极管的结构示意图半导体二极管结构（3）(3)

平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。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。(4)

二极管的符号{end}二极管的伏安特性（1）二极管的伏安特性曲线正向特性反向特性反向击穿特性二极管的伏安特性（2）

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。热击穿——不可逆

雪崩击穿

齐纳击穿

电击穿——可逆反向击穿特性二极管的伏安特性（3）硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性实际二极管器件的几个典型值：死区电压：硅管0.5V左右、锗管0.2V左右导通压降：硅管0.7V左右、锗管0.3V左右反向饱和电流：硅管几十uA、锗管几百uA{end}二极管的模型

1.理想模型

2.恒压降模型特点：死区电压=0正向导通压降=0反向饱和电流=0特点：正向导通压降

=死区电压

=0.7V或0.3V反向饱和电流=0{end}二极管电路分析举例（1）ba-+10V3Ω+-D2Ω5V1、确定二极管的工作状态1）假设二极管截止，即将二极管断开。2）计算二极管两端的电压

UD=V阳-V阴3）判断：若

UD>0，则二极管工作于导通状态

若

UD<0，则二极管工作于截止状态例1：求I

IUD二极管电路分析举例（2）ba-+10V3Ω+-UD2Ω5V解：设二极管截止，计算二极管的正向压降UD。可得UD<0，则二极管工作于截止状态

2、

根据工作状态用不同的模型代替二极管二极管电路分析举例（3）若二极管工作在截止状态则可等效为断开的开关若二极管工作在导通状态则可等效为导通的开关UONID或电压为UON的电压源3、在等效后的线性电路中作相应的分析ba-+10V3Ω+-D2Ω5VI原电路等效为：二极管电路分析举例（4）ba-+10V3Ω+-D2Ω5VI思考：+-改变10V电压源极性后，I=？二极管电路分析举例（5）二极管电路分析举例（6）例2

理想二极管构成的限幅电路如下所示。设ui=5sinωtV,试画出uo的波形及电压传输特性曲线。R3VD+-ui+-uo解：先将二极管断开，计算二极管的正向压降。可得UDUD=ui-3当ui>3V时，二极管导通，相当于短路，故uo=ui当ui<3V时，二极管截止，相当于断路，故uo=3V二极管电路分析举例（7）当ui>3V时，二极管导通，相当于短路，故uo=ui当ui<3V时，二极管截止，相当于断路，故uo=3Vui3Vuo二极管电路分析举例（8）当ui>3V时，uo=ui当ui<3V时，uo=3V-5V5V3V5Vuoui03V电压传输特性曲线：例3：RLuiuouiuott二极管半波整流二极管电路分析举例（9）二极管电路分析举例（10）例4：图示电路中，分析当UA与UB分别为0与3V的不同组合时，二极管D1、D2的状态，并求U0的值。解：（1）当UA=UB=0时设D1、D2截止，则等效电路为UD1UD2D1D2U0R5VUAUBD1D2U0R5V由电路，有UD1=0-（-5）=5>0UD2=0-（-5）=5>0则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=0D1D2U0R5V二极管电路分析举例（11）（2）当UA=UB=3V时设D1、D2截止，则等效电路为由电路，有UD1=3-（-5）=8>0UD2=3-（-5）=8>0则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V二极管电路分析举例（12）（3）当UA=3V，UB=0时设D1、D2截止，则等效电路为由电路，有UD1=3-（-5）=8>0UD2=0-（-5）=5>0则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出现矛盾！即D1、D2不可能同时导通！！合理的情况是：D1导通，D2截止。D1D2U0R5V3V二极管电路分析举例（13）（4）当UA=0，UB=3V时所以，U0=3V同理可得：D1截止，D2导通。D1D2U0R5V3V

例5

图示电路，D1D2为理想二极管，D1工作在_________状态，D2工作在_________状态，uao=______。D1D23V3kΩ6Vuao分析：先将二极管断开，分别计算正向压降，显然UD1=6V，UD2=9VUD1UD2结论：D1截止，D2导通，uao=-3V二极管电路分析举例（14）{end}二极管的主要参数(1)最大整流电流IF(2)最大反向工作电压VRM(3)反向饱和电流IR(4)最高工作频率fMIFVRMIR{end}稳压二极管（ZenerDiode)---伏安特性(a)符号(b)伏安特性

利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。稳压二极管---稳压二极管主要参数(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ

=VZ/IZ(4)最大耗散功率

PZM(3)最大稳定工作电流

IZmax

和最小稳定工作电流

IZmin稳压二极管---稳压电路（1）例:VZ=6V,IZmax=25mA,IZmin=5mA,输入电压VI=20V,电阻R=500Ω.（1）RL=100Ω，Vo=？解：设稳压二极管截止，计算二极管的反向压降即VO稳压二极管工作在反向截止状态例:VZ=6V,IZmax=25mA,IZmin=5mA,输入电压VI=20V,电阻R=500Ω.稳压二极管---稳压电路（2）（2）RL=500Ω，Vo=？同理计算二极管的反向压降VO稳压二极管工作在反向击穿状态即稳压例:VZ=6V,IZmax=25mA,IZmin=5mA,输入电压VI=20V,电阻R=500Ω.稳压二极管---稳压电路（3）（3）RL=1000Ω，Vo=？同理计算二极管的反向压降VO稳压二极管工作在反向击穿状态即稳压（4）RL开路，稳压管能否稳压？例:VZ=6V,IZmax=25mA,IZmin=5mA,输入电压VI=20V,电阻R=500Ω.稳压二极管---稳压电路（4）假设稳压管稳压稳压管烧毁若要负载在500Ω~开路范围内变化时，稳压管都能稳压，怎么办？选择R稳压二极管---稳压电路(5)并联式稳压电路限流电阻{end}稳压管稳定电压决定输出电压半导体三极管(Transistor)的结构(1)N型硅PNNPN型三极管的结构与符号c集电极Collector发射极Emittereb基极Base集电区基区发射区发射结E结集电结C结简化cbeC结E结NPNecb半导体三极管又称双极型晶体管,它的基本组成部分是两个靠得很近且背对背排列的PN结。根据排列方式不同，可分为NPN和PNP两种类型。结构特点发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度基区宽度很小(μm数量级)集电结面积大于发射结cbeC结E结PNPecbPNP型三极管的结构与符号半导体三极管(Transistor)的结构(2){end}BECNNPUBBRbUCCIEIBEICBO三极管的电流放大原理三极管的电流分配与放大（1）外部条件：发射结正偏；集电结反偏RcVC>VB>VEIBICEICIC=ICE+ICBOIB=IBE-ICBOBECNNPUBBRbUCCIEIBEICBORcIBICEIC

ICE与IBE之比称为共发射极直流电流放大倍数三极管的电流分配与放大（2）一般情况下，ICBO（集电结反向饱和电流）很小(常用公式)三极管的电流分配与放大（3）ecbIBICIE三极管的电流分配与放大（4）TRCUCCRbUBBiB=IB+ΔIBiC=IC+ΔIC动态电流放大+-ΔUiΔUiΔIBΔIC动态电压定义：共发射极交流电流放大系数可近似认为：结论：1、三极管在E结正偏、C结反偏时具有电流放大作用。

{end}2、三极管是一个电流控制元件，IC由IB控制。输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++三极管的伏安特性可分为：输入伏安特性：输出伏安特性：半导体三极管的伏安特性（1）半导体三极管的伏安特性（2）TRCUCCRbUBBIBICUBEUCE由测量结果，可得输入伏安特性曲线：IB(uA)UBE(V)0402060800.20.40.60.8UCE=0UCE=0.5VUCE≥1V结论：三极管输入特性与二极管相似输入伏安特性：输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。半导体三极管的伏安特性（3）等效：BECβIBIB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。截止区半导体三极管的伏安特性（4）等效：BECIB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区（3）饱和区

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。

在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，锗管UCES0.1V。半导体三极管的伏安特性（5）等效：BEC半导体三极管的伏安特性（6）例1:测得各晶体管在无信号输入时,三个电极相对于”地”的电压如图所示。问哪些管子工作于放大状态,哪些处于截止、饱和状态，哪些管子已经损坏？ecb硅管-3V0V-2.7Vecb锗管-0.3V-3V0Vecb锗管1.3V1.1V1Vecb硅管-2.8V-1.4V-3.5V截止放大饱和放大ecb锗管1.2V1.3V1.5Vecb锗管1.8V3.7V1.5Vecb硅管2V12V-0.7V饱和放大已损坏半导体三极管的伏安特性（7）例2设工作于线性放大状态的三极管各管脚对地的电位如下所示，试判断各管脚所属的电极，该管是锗管还是硅管？是NPN型还是PNP型？0.7V0V5V规律（1）先确定C极（b、e之间互差0.7V或0.3V，剩下的电极即为C极）硅管：发射结导通压降0.7V左右锗管：发射结导通压降0.3V左右NPN型：VC>VB>VEPNP型：VC<VB<VEC硅管BENPN（2）确定类型和管脚。因为（3）确定材料半导体三极管的伏安特性（8）-3.2V-2.5V-9V例3设工作于线性放大状态的三极管各管脚对地的电位如下所示，试判断各管脚所属的电极，该管是锗管还是硅管？是NPN型还是PNP型？CBE硅管PNP-7V-2V-2.3VCBE锗管PNP半导体三极管的伏安特性（9）半导体三极管的伏安特性（10）例4:如图所示电路中,已知三极管的电流放大倍数β=50,Uon=0.7V。求：IC、IB、IE、UCE。TRC12VRb6VIBICIEUCE500KΩ3KΩRC12VRb6VIBIC500KΩ3KΩ0.7V50IBTRC12VRb6VIBICIEUCE500KΩ3KΩRC12VRb6VIBIC500KΩ3KΩ0.7V50IB半导体三极管的伏安特性（11）若RC=30KΩ三极管饱和{end}1.电