模电 1.1-半导体基础知识学习资料

模拟电子技术基础第一章半导体二极管和三极管本章目录2025/4/282§1.1半导体基础知识§1.2半导体二极管§1.3晶体三极管1.1.1PN结的形成1.1PN结半导体

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导电能力介于导体和绝缘体之间最常用的半导体材料物体根据其导电能力（电阻率）分半导体绝缘体导体锗硅1半导体基础知识2025/4/2832025/4/284+14284Si硅原子结构示意图+322818Ge锗原子结构示意图4原子结构示意图+4硅、锗原子的简化模型2025/4/285平面结构立体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+41.本征半导体本征半导体就是完全纯净的半导体2025/4/286+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键价电子2025/4/287+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体受热或光照2025/4/288本征激发产生电子和空穴自由电子空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+42025/4/289电子空穴成对产生+4+4+4+4+4+4+4+4+42025/4/2810+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴复合，成对消失2025/4/2811+4+4+4+4+4+4+4+4+42025/4/2812

本征激发使空穴和自由电子成对产生。相遇复合时，又成对消失。

小结空穴浓度（np)=电子浓度(nn)温度T一定时np×nn=K(T)K(T)——与温度有关的常数2025/4/2813在外电场作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U2025/4/2814电子运动形成电子电流+4+4+4+4+4+4+4+4+4U2025/4/2815+4+4+4+4+4+4+4+4+4U2025/4/2816+4+4+4+4+4+4+4+4+4U2025/4/2817+4+4+4+4+4+4+4+4+4U2025/4/2818+4+4+4+4+4+4+4+4+4U2025/4/2819+4+4+4+4+4+4+4+4+4U价电子填补空穴而使空穴移动，形成空穴电流2025/4/2820(1)在半导体中有两种载流子这就是半导体和金属导电原理的本质区别a.电阻率大(2)本征半导体的特点b.导电性能随温度变化大小结带正电的空穴带负电的自由电子本征半导体不能在半导体器件中直接使用2025/4/28212．掺杂半导体

在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体根据掺杂的不同，杂质半导体分为N型导体P型导体(1)N型半导体

掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体2025/4/282025/4/2822+4+4+4+4+4+4+4+4+4掺入少量五价杂质元素磷P2025/4/2823+4+4+4+4+4+4+4+4+4P2025/4/2824多出一个电子出现了一个正离子+4+4+4+4+4+4+4+4P2025/4/2825++++++++++++++++++++++++++++++++++++半导体中产生了大量的自由电子和正离子2025/4/2826c.电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流子，简称少子。e.因电子带负电，称这种半导体为N(negative)型或

电子型半导体。f.

因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。b.N型半导体中产生了大量的(自由）电子和正离子。小结d.np×nn=K(T)a.N型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质元素形成的。2025/4/2827(2)

P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。B+4+4+4+4+4+4+4+4+42025/4/2828+4+4+4+4+4+4+4+4+4B2025/4/2829出现了一个空位+4+4+4+4+4+4B+4+42025/4/2830+4+4+4+4+4+4B+4+4负离子空穴2025/4/2831------------------------------------半导体中产生了大量的空穴和负离子2025/4/2832c.

空穴是多数载流子,电子是少数载流子。e.

因空穴带正电，称这种半导体为P(positive)型或空穴型半导体。f.因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。a.P型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价杂质元素形成的。b.

P型半导体产生大量的空穴和负离子。小结d.np×nn=K(T)2025/4/2833当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型转为P型；杂质半导体的转型当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转为N型。2025/4/2834N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半导体为基片通过半导体扩散工艺3.PN结的形成2025/4/2835使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------2025/4/2836(1)在浓度差的作用下，电子从N区向P区扩散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------2025/4/2837(2)在浓度差的作用下，空穴从P区向N区扩散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------2025/4/2838在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。小结N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------2025/4/2839即PN结空间电荷层N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------2025/4/2840形成内电场内电场方向N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------2025/4/2841PN结一方面阻碍多子的扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------2025/4/2842另一方面加速少子的漂移N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------2025/4/2843势垒U0形成电位势垒N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------2025/4/2844当扩散与漂移作用平衡时a.流过PN结的净电流为零b.PN结的厚度一定（约几个微米）c.接触电位一定（约零点几伏）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------2025/4/2845当N区和P区的掺杂浓度不等时离子密度大空间电荷层较薄离子密度小空间电荷层较厚高掺杂浓度区域用N+表示++++++______PN+2025/4/28461.1.2PN结的单向导电性1．PN结正向偏置

PN结正向偏置——当外加直流电压使PN结P型半导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置，简称正偏。PN结反向偏置——当外加直流电压使PN结N型半导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，简称反偏。2025/4/2847------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++EPN结正向偏置2025/4/2848内电场被削弱PN结变窄PN结呈现低阻、导通状态多子进行扩散------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E2025/4/2849内电场增强PN结变宽PN结呈现高阻、截止状态不利多子扩散有利少子漂移2．PN结反向偏置------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E2025/4/2850因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎无关。此电流称为反向饱和电流，记为IS。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E2025/4/28511.1.3PN结的电压与电流关系++++++_PN_____ui2025/4/2852IS——

PN结反向饱和电流UT——

热电压式中UT=KTqq——电子电量T——绝对温度在室温（T=300K)时，。K——玻耳兹曼常数其中(K=1.3806505×10^-23J/K)2025/4/2853(1)当u=0时，i=0；(3)当u<0，且|u|>>UT时，i

–IS。讨论(2)当u>0，且u>>UT时，；2025/4/2854思考题1.半导体中的载流子浓度主要与哪些因素有关？2.扩散电流与漂移电流的主要区别是什么？2025/4/2855(1)按使用的半导体材料不同分为(2)按结构形式不同分为硅管锗管点接触型平面型1.2

半导体二极管2025/4/28561.2.1

半导体二极管的结构和类型平面型点接触型引线触丝外壳N型锗片N型硅阳极引线PN结阴极引线金锑合金底座铝合金小球2025/4/2857半导体二极管的外型和符号正极负极符号外型负极正极2025/4/28582025/4/28592025/4/28602025/4/2861将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管2025/4/2862点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。各类型二极管特点2025/4/2863材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA开启电压反向饱和电流击穿电压温度的电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。1.2.2半导体二极管的伏安特性利用Multisim测试半导体器件特性2025/4/2864利用Multisim测试二极管伏安特性2025/4/28652025/4/2866硅管00.8反向特性正向特性击穿特性00.8反向特性锗管正向特性uDiD半导体二极管的伏安特性2025/4/2867(1)

近似呈现为指数曲线，即(2)

有死区（iD≈0的区域)1．正向特性死区电压约为硅管0.5V锗管0.1VOiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD2025/4/2868OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD(3)导通后（即uD大于死区电压后）管压降uD

约为硅管0.6~0.8V锗管0.2~0.3V通常近似取uD

硅管0.7V锗管0.2V即uD略有升高，

iD急剧增大。2025/4/2869OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD2．反向特性IS=硅管小于0.1微安锗管几十到几百微安(1)当时，。2025/4/2870OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD(2)

当时，反向电流急剧增大，击穿的类型根据击穿可逆性分为电击穿热击穿二极管发生反向击穿。2025/4/2871降低反向电压，二极管仍能正常工作。PN结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。二极管发生反向击穿后，如果a.功耗PD(=|UDID|)不大b.PN结的温度小于允许的最高结温硅管150∽200oC锗管75∽100oC热击穿电击穿2025/4/2872a.齐纳击穿

(3)

产生击穿的机理半导体的掺杂浓度高击穿电压低于4V击穿电压具有负的温度系数空间电荷层中有较强的电场电场将PN结中的价电子从共价键中激发出来击穿的机理条件击穿的特点2025/4/2873半导体的掺杂浓度低击穿电压高于6V击穿电压具有正的温度系数空间电荷区中就有较强的电场电场使PN结中的少子“碰撞电离”共价键中的价电子击穿的机理条件击穿的的特点b.雪崩击穿2025/4/28741.2.3

温度对半导体二极管特性的影响1.当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。△uD/△T=–（2~2.5）mV/°C2.

温度升高，反向饱和电流增大。即温度每升高1°C，管压降降低（2~2.5）mV。即平均温度每升高10°C，反向饱和电流增大一倍。2025/4/2875OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD1.2.4

半导体二极管的主要电参数1.额定整流电流IF2.反向击穿电压U(BR)管子长期运行所允许通过的电流平均值。二极管能承受的最高反向电压。2025/4/2876OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD4.反向电流IR3.最高允许反向工作电压UR为了确保管子安全工作，所允许的最高反向电压。室温下加上规定的反向电压时测得的电流。UR=（1/2~2/3）U(BR)2025/4/2877OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD5.正向电压降UF6.最高工作频率fM指通过一定的直流测试电流时的管压降。

fM与结电容有关，当工作频率超过fM时，二极管的单向导电性变坏。2025/4/2878二极管的几种常用的模型(2)电路符号(1)伏安特性1.理想二极管uDiDO理想特性实际特性

–+uDiD2025/4/2879(2)电路模型(1)伏安特性2.恒压模型uDiDOuF–+uDiDuF2025/4/2880(2)电路模型(1)伏安特性3.折线模型uDiDOuthrD–+uDiDuthrD2025/4/2881(2)电路模型(1)伏安特性4.小信号动态模型–+udidrd动态电阻

uDiDOUDrdIDQ根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）2025/4/2882

应用举例

二极管的静态工作情况分析理想模型（R=10k

）VDD=10V时恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设附录

半导体二极管的应用1.

在整流电路中的应用整流——

将交流电变成直流电的过程整流电路——

完成整流功能的电路常见的整流电路有半波整流电路全波整流电路桥式整流电路2025/4/2883设桥式整流电路+_uOTru2+_u1ab+_RLD1D2D4D32025/4/2884工作原理a.

当u2>0时输出波形电流流动方向D1D2D4D3+_uOTru2+_u1ab+_RL2025/4/2885b.

当u2<0时输出波形电流流动方向+_uOTru2+_u1ab+_RLD1D2D4D32025/4/2886在检波电路中的应用（无线通信）用音频信号去控制高频信号的幅值音频信号高频信号载波信号调制的过程Otuu1tOu2Ot音频放大器话筒高频振荡器调制器发射器u2u1u2025/4/2887检波的过程u1Otu2OtOtu3DCLC2u3高放大器频低频放大C1R2R1u2u1+–+–+–器2025/4/2888限幅电路工作原理a.

当ui较小使二极管D1、D2截止时电路正常放大b.

当ui使二极管D1或D2导通时RD2ARi+–+–D1+–2025/4/2889uitO输入电压波形RD2ARi+–+–D1+–2025/4/2890输入端电压波形uitO2UFRD2ARi+–+–D1+–2025/4/28912025/4/2892思考题1.在什么条件下，半导体二极管的管压降近似为常数？2.根据二极管的伏安特性，给出几种二极管的电路分析模型。2025/4/28933.如何判断二极管的工作状态？4.什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=V－iRQIDUDV与uD可比，则需图解：实测特性

对V和Ui二极管的模型有什么不同？2025/4/28941.2.5

特种二极管1.2.5.1

硅稳压二极管特点a.正向特性与普通管类似稳压管通常工作于反向电击穿状态伏安特性符号b.反向击穿特性很陡–+iZuZuZQBAOUZiZIZ

UZ

IZ2025/4/2895uZQBAOUZiZIZ

UZ

IZ1.硅稳压管的主要电参数(1)稳定电压UZ(2)动态电阻(3)最大允许工作电流IZM(4)最大允许功率耗散PZM(5)温度系数2025/4/2896温度每变化1

C时UZ的相对变化率。即UZ>6V管子出现雪崩击穿，αU为正；UZ<4V

出现齐纳击穿，αU

为负;4V<UZ

<

6V，αU可能为正，也可能为负。温度系数

定义：2025/4/2897具有温度补偿的硅稳压管把一只αU为正的管子与另一只αU为负的管子串联将两只αU

为正的稳压管串联(1)DZ1DZ2(2)2025/4/28982.硅稳压管的等效电路反向击穿时端电压表达式反向正向理想二极管uZQOUZiZIZUZ0等效电路D1D3D2rZUZ02025/4/28993.硅稳压管稳压电路R——限流电阻DZIZRLUOUIRIIO+_+_2025/4/28100(1)

稳压原理a.UI不稳定

UI↑→UO↑→UZ↑

→IZ↑→I↑→IR↑

UO↓DZIZRLUOUIRIIO+_+_2025/4/28101DZIZRLUOUIRIIO+_+_b.RL改变

RL↓

→UO↓

→UZ↓→IR↓→IZ↓→I↓UO↑2025/4/28102DZIZRLUOUIRIIO+_+_(2)限流电阻计算输出电压稳定的条件（保证稳压管被击穿）≥2025/4/28103DZIZRLUOUIRIIO+_+_IZ(min)≤IZ≤IZM稳压管正常工作的条件2025/4/28104DZIZRLUOUIRIIO+_+_UO=UZ

图中

IZ=I－IO

2025/4/28105DZIZRLUOUIRIIO+_+_此时当IO为最小值IO(min)时，IZ值最大。当UI为最大值UI(max)时，I值最大；IZ=I－IO

由式知2025/4/28106DZIZRLUOUIRIIO+_+_由此可得为保证管子安全工作,应使≤≥2025/4/28107DZIZRLUOUIRIIO+_+_IZ=I－IO

由式此时当IO为最大值IO(max)时，IZ值最小。当UI为最大值UI(min)时，I值最小；知2025/4/28108DZIZRLUOUIRIIO+_+_由此可得为保证电路正常工作，应使≥≤2025/4/28109得由式及≥≤≤≤2025/4/28110例1：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k

，输入电压ui=12V，限流电阻R=200，求iZ。若负载电阻变化范围为1.5k--4k

，是否还能稳压？2025/4/28111RLuiuORDZiiziLUZUZ=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用2025/4/28112例2：稳压二极管的应用解：ui和uo的波形如图所示

（UZ＝3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ2025/4/281131.2.5.2

变容二极管1.PN结的电容效应(1)扩散电容CD非平衡少子的积累PN++++............................................2025/4/28114PN++++............................................△U变化时，P区积累的非平衡少子浓度分布图ΔU>03ΔU=0ΔU<021x电子浓度3212025/4/28115PN++++............................................这种电容效应用扩散电容CD表征。PN结正向偏置电压越高，非平衡少子的积累越多。2025/4/28116(2)势垒电容CBUPN++++++++空间电荷层2025/4/28117PN结变窄空间电荷层中的电荷量减少a.

当PN结正向偏置电压升高时U+

U(U>0)PN++++2025/4/28118PN结变宽空间电荷层中的电荷量增大b.

当PN结正向偏置电压降低时可见，空间电荷量随着PN结偏置电压的变化而变化。这种电容效应用势垒电容CB表征。U-

U(U>0)PN++++++++++++2025/4/28119小结PN结结电容CjCj

=CD+CB

当PN结正偏时当PN结反偏时2025/4/28120变容二极管的特点b.

电容量与所加的反向偏置电压的大小有关。a.当二极管反向偏置时，因反向电阻很大，可作电容使用。2025/4/28121变容二极管的符号及C－U特性曲线符号20240608010004681012uDCC－U特性曲线2025/4/281222.变容二极管及其应用示例谐振频率式中高频放大器LC1DCR+––+V+UDu12025/4/28123高频放大器LC1DCR+––+V+UDu1由于故谐振频率2025/4/28124一、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(1

2)V符号u/Vi

/mAO2特性1.2.6其它类型的二极管2025/4/28125发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,2025/4/28126二、光电二极管符号和特性符号特性uiOE=200lxE=400lx工作原理：三、隧道二极管四、肖特基二极管无光照时，与普通二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。2025/4/28127思考题1.在图示稳压电路中，输出电压稳定的条件是什么？2.在图示稳压电路中限流电阻的大小对电路性能有何影响？DZIZRLUOUIRIIO+_+_2025/4/28128电阻量程×1×10×100×1k测得电阻值31Ω210Ω1.1kΩ11.5kΩ[例1]用万用表测量二极管的正向直流电阻RF，选用的量程不同，测得的电阻值相差很大。现用MF30型万用表测量某二极管的正向电阻，结果如下表，试分析所得阻值不同的原因。练习题2025/4/28129图中，R0为表头等效内阻。万用表的量程越大，即R0越大。[解]万用表测电阻的原理图R0+-EiD+-uD写出电路方程uD+iDR0=E显然，上式在iD—uD坐标系中表示一条直线。2025/4/28130画出上式所表示的直线。E/R01UDIDE/R0E二极管伏安特性直线R0增大UD1ID1uDiDO显然，UD、ID是直线与二极管伏安特性曲线的交点。可见，万用表的量程越大，DR0+-EiD+-uDuD+iDR0=EUD、ID

越小，二极管的等效电阻越大。二极管的等效电阻为RD=UD/ID2025/4/28131[例2]设图示电路中的二极管性能均为理想。试判断各电路中的二极管是导通还是截止，并求出A、B两点之间的电压ＵAB值。V115V10VV2R2kWUABB+_D2AD1(a)V115V10VV2R2kWUABB+_D2AD1(b)2025/4/28132[解]判断电路中二极管工作状态的方法1.断开二极管，分析电路断开点