教学材料《电路模型》-第七章

7.1半导体PN结7.1.1半导体的特点半导体是制造晶体管的原料，之所以能得到广泛应用，主要原因并不在于它的电阻率大小，而在于其电阻率随温度、光照以及所含杂质的种类、浓度等条件的不同而i出现显著的差别。半导体的导电性能有如下一些显著特点。(1)半导体的电阻率随温度上升而明显下降，呈负温度系数的特性。(2)半导体的电阻率随光照的不同而改变。利用半导体的这一特性，可以用它作为光敏材料制成光敏元件。(3)半导体的电阻率与所含微量杂质的浓度有很大关系。下-页

返回7.1半导体PN结7.1.2半导体的分类1．本征半导体常用的半导体材料有硅、锗和砷化镓等。纯净的不含杂质的半导体称为本征半导体。常用的本征半导体是硅和锗晶体，其原子结构有4个价电子。当硅和锗材料经过一定的工艺制成单晶体时，才能制作半导体器件。此时，它们的原子排列非常整齐、有规律。本征半导体在绝对温度T=OK和没有外界影响的条件下，价电子全部束缚在共价键中。当本征半导体在外界因素作用下（温度升高或受光照等），共价键中的某些价电子获得能量，挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原共价键中上-页

下-页

返回7.1半导体PN结

留下相同数量的空位，通常把这种空位称为空穴，空穴与自由电子是成对出现的，如图7-2所示。自由电子在运动过程中又会和空穴相遇，重新结合而消失，这个过程称为复合。自由电子一空穴对的产生与复合，在一定温度下呈现动态平衡。综上所述，本征半导体有如下特点。(1)温度越高，电子一空穴对越多。(2)电子一空穴对的热运动是杂乱无章的，就整体而言，对外不显电性。只有在外电场作用下，电子和空穴的运动才有方向性。上-页

下-页

返回7.1半导体PN结2．杂质半导体

1)N型半导体在本征半导体晶体中掺人微量的5价元素，例如磷。由于磷原子的最外层电子轨道上有5个价电子，其中4个和相邻的硅原子构成共价键，多出的一个电子很容易摆脱原子核的束缚成为自由电子，磷原子则因失去一个电子而带正电，如图7-3所示。2)P型半导体在本征半导体晶体中掺人微量的3价元素，例如硼。由于硼的价电子只有3个，当它与硅原子组成共价键时，因缺少一个价电子而形成空穴，相邻的价电子很容易被吸引去填补这个空穴，使硼原子变成带负电的粒子，如图7-4所示。上-页

下-页

返回7.1半导体PN结7.1.3PN结的形成与特性1．PN结的形成当通过一定的工艺使一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起时，在它们的交界处会形成一个空间电荷区，称为PN结。在P型半导体和N型半导体交界处，由于P型半导体中空穴多于自由电子，N型半导体中自由电子多于空穴，这样在交界面附近将产生多数载流子的扩散运动。空间电荷区形成内电场，内电场方向由N区指向P区，内电场对多数载流子的扩散运动起阻碍作用，故空间电荷区也称阻挡层。内电场有助于少数载流子的漂移运动（漂移是指在电场作用下少数载流子越过空间电荷区进入另一侧），因此上-页

下-页

返回7.1半导体PN结

在内电场作用下，N区的空穴向P区漂移，P区的自由电子向N区漂移。

2．PN结的特性1)PN结的正向导通特性PN结外加正向电压（简称正偏）如图7-6所示。这时，外电场与内电场方向相反，内电场被削弱，空间电荷区变窄，有利于多数载流子的扩散运动，因而形成较大的扩散电流。

2)PN结的反向截止特性PN结外加反向电压（简称反偏）如图7-7所示。这时，外电场与内电场方向一致，内电场增强，多数载流子的扩散运动难以进行，只有少数载流子在电场作用下形成漂移电流，漂移电流与扩散电流方向相反，又称反向电流。上-页

返回7.2半导体二极管7.2.1二极管的结构和类型半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。二极管的种类很多，按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型3种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种。从工艺结构来看，点接触型二极管（一般为锗管）如图7-8(b)所示，其特点是结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也个，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电路里的开关元件。下-页

返回7.2半导体二极管7.2.2二极管的特性及参数1．二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指半导体二极管两端电压U和流过的电流，之间的关系。1)正向特性在外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，电路中的正向电流几乎为零，这个范围称为死区，相应的电压称为死区电压。

2)反向特性在反向电压作用下，少数载流子漂移形成的反向电流很小，在反向电压不超过某一范围时，反向电流基本恒定，通常称之为反向饱和电流。上-页

下-页

返回7.2半导体二极管2．二极管的主要参数二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，参数同样能反映出二极管的电性能，器件的参数是正确选择和使用器件的依据。半导体二极管的主要参数有以下几个。1)最大整流电流IFM它是指半导体二极管长期使用时允许流过的最大正向平均电流。使用时工作电流不能超过最大整流电流，否则二极管会过热烧坏。2)最大反向工作电压它是指半导体二极管使用时允许承受的最大反向电压，使用时半导体二极管的实际反向电压不能超过规定的最大反向工作电压。上-页

下-页

返回7.2半导体二极管3)最大反向电流它是指半导体二极管加最大反向工作电压时的反向电流。反向电流越小，半导体二极管的单向导电性能越好。4)最高工作频率它是指保持二极管单向导通性能时外加电压的最高频率，二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。

7.2.3特殊二极管1．稳压二极管稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，具有稳定电压的作用。稳压管与普通二极管的主要区别在于，稳压管是工作在PN结的反向击穿状态。通过在制造过程中的工艺措施上-页

下-页

返回7.2半导体二极管

和使用时限制反向电流的大小，能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏。稳压管的主要参数如下。1)稳定电压即反向击穿电压，是稳压管在正常的反向击穿工作状态下管子两端的电压。2)稳定电流3)最大稳定电流指稳压管正常工作时允许通过的最大反向电流。稳压管使用时，其工作电流不能超过最大稳定电流。4)动态电阻上-页

下-页

返回7.2半导体二极管指稳压管在正常工作时，电压变化量与电流变化量之比5)最大允许耗散功率PZM指稳压管工作时所允许的最大耗散功率，其值等于最大稳定电流与相应的稳定电压的乘积。2.发光二极管发光二极管是一种将电能直接转换成光能的半导体固体显示器件，简称LED(LightEmittingDiode)。和普通二极管相似，发光二极管也是由一个PN结构成。

3．光电二极管光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的PN结上-页

下-页

返回7.2半导体二极管时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。上-页

返回7.3半导体三极管7.3.1三极管的基本结构最常见的三极管结构有平面型和合金型两类，如图7-15所示。图7-15(a)所示为平面型（主要是硅管），图7-15(b)所示为合金型（主要为锗管）。不论是平面型还是合金型的半导体三极管，内部都由PNP或NPN这3层半导体材料构成，因此又把半导体三极管分为PNP型和NPN型两类，图7-16所示为半导体三极管的结构示意图及符号。半导体三极管有3个区、两个PN结和3个电极。3个区分别为发射区、基区、集电区。PNP型和NPN型半导体三极管的工作原理基本相同，不同之处在于使用时电源连接极性不同，电流方向相反。下-页

返回7.3半导体三极管半导体三极管根据基片的材料不同，可以分为锗管和硅管两大类，目前国内生产的硅管多为NPN型（3D系列），锗管多为PNP型（3A系列）；根据频率特性可以分为高频管和低频管；根据功率大小可以分为大功率管、中功率管和小功率管等。

7.3.2三极管的电流分配和放大作用NPN上面介绍了三极管具有电流放大用的内部条件。为实现晶体三极管的电流放大作用还必须具有一定的外部条件，这就是要给三极管的发射结加上正向电压，集电结加上反向电压。从实验结果可得如下结论。上-页

下-页

返回7.3半导体三极管(1)IE=IB+IC。此关系就是三极管的电流分配关系，它符合基尔霍夫电流定律。(2)微小的基极电流变化，可以控制比之大数十倍至数百倍的集电极电流的变化，这就是三极管的电流放大作用。7.3.3三极管的特性曲线1．输入特性曲线输入特性是指当集电极和发射极之间的电压UCE为一常数时，基极电流IB与基、射极间电压UBE间的关系，即当UCE=0时，集电极与发射极之间短路，基极与发射极上-页

下-页

返回7.3半导体三极管

之间相当于两个半导体二极管并联，两个半导体二极管均承受正向电压。当UCE增加时，特性曲线右移，这是因为集电区收集载流子的能力增强，可以把从发射区进入基区的自由电子绝大部分拉入集电区。从输入特性曲线可以看出，当UBE较小时，IB=0，这段区域称为死区，硅管的死区电压为0.5V，锗管的死区电压为0.1V。

2．输出特性曲线输出特性是指当基极电流IB为某一固定值时，集电极电流IC上-页

下-页

返回7.3半导体三极管与集、射极间电压UCE的关系，即

1)截止区将IB=0以下的区域称为截止区。此时电流IC为基极开路时从发射极到集电极的反向截止电流，称为穿透电流，用ICEO表示，常温下其数值很小。

2)放大区在放大区，各条输出特性曲线较平坦，当IB-定时，IC的值基本上不随UCE变化，且IC只受IB控制，反映出半导体三极管的电流放大作用。上-页

下-页

返回7.3半导体三极管3)饱和区在饱和区，半导体三极管失去电流放大作用。半导体三极管饱和时C、E间的电压称为饱和压降7.3.4三极管的主要参数三极管的参数是设计电路、合理选择半导体三极管的依据。以下主要介绍常用的参数。1．共发射极电路的电流放大系数1)直流电流放大系数指在无输入信号（静态）时，集电极电流与基极电流的比值，即上-页

下-页

返回7.3半导体三极管2)交流电流放大系数指在有输入信号（动态）时，集电极电流变化量与基极电流变化量之比，即

2．极间反向电流1)集电极和基极之间的反向饱和电流ICBOICBO是指发射极开路时，集电极和基极之间的电流。在一定温度下，ICBO数值很小，基本是一个常数。ICBO受温度的影响较大，温度升高，ICBO增加。上-页

下-页

返回7.3半导体三极管2)集电极和发射板之间的穿透电流ICEOICEO是指基极开路时，集电极流向发射极的电流。有

3．极限参数1)集电极最大允许电流ICM当集电极电流，IC超过ICM时，管子的放大系数卢显著下降，性能降低，甚至损坏半导体三极管。2)集电极最大允许耗散功率PCM上-页

下-页

返回7.3半导体三极管当集电极电流流过集电结时，将使集电结温度升高，管子发热，甚至使管子性能变坏，烧坏管子，所以集电极消耗的功率PC有一个最大允许值PCM。

3)极间反向击穿电压半导体三极管有职U(BR)EBO、U(BR)CBO

、U(BR)CEO种击穿电压，其中职BR)CEO是指基极开路时，加在集电极和发射极间的最大允许电压。使用时若反向电压超过规定值，则会发生击穿。上-页

返回7.4场效应管7.4.1N沟道绝缘栅型场效应管的结构图7-24所示为两种N沟道绝缘栅型场效应管的结构示意图及符号。它们都是以P型硅为衬底，在衬底上用扩散法制作两个高掺杂的N+区，引出两个电极，分别为源极S和漏极D。增强型和耗尽型的区别在于是否有原始导电沟道，在栅源极间电压为零时，增强型漏源极之间只是两个反向串联的PN结，没有导电沟道，而耗尽型漏源极之间已有导电沟道。7.4.2N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理下-页

返回7.4场效应管当栅源极间加上电压UGS时，在UGS作用下，产生了垂直于衬底表面的电场，P型硅衬底中的自由电子受到电场力的作用到达表层，除填补空穴形成负离子耗尽层外，还在靠近绝缘层那一面形成一个N型层，称为反型层。反型层是沟通源极S和漏极D之间的导电沟道。UGS越大，导电沟道越宽。7.4.3N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线

1．漏极特性漏极特性是指当UGS为常数时，ID随UDS的变化关系，如图7-26所示。

2．转移特性转移特性是指当UDS为常数时，ID和UGS之间的关系，如图7-27所示。上-页

下-页

返回7.4场效应管7.4.4N沟道耗尽型绝缘栅场效应管如果制造时在二氧化硅绝缘层中掺人大量的正离子，即使UGS=0，正离子