半导体元件及其特性课件

半導體元件及其特性1-1半導體二極體1．PN結的形成在半導體材料(矽、鍺)中摻入不同雜質可以分別形成N型和P型兩種半導體。N型半導體主要依靠自由電子導電，稱自由電子為多數載流子，而空穴數量遠少於電子數量，稱空穴為少數載流子。P型半導體主要靠空穴導電，稱空穴為多數載流子，而自由電子遠少於空穴的數量，稱自由電子為少數載流子。PN結的形成與特性

當P型半導體和N型半導體接觸以後，由於交界兩側半導體類型不同，存在電子和空穴的濃度差。這樣，P區的空穴向N區擴散，N區的電子向P區擴散,如圖1.1.1(a)所示。由於擴散運動，在P區和N區的接觸面就產生正負離子層。N區失掉電子產生正離子，P區得到電子產生負離子。通常稱這個正負離子層為PN結。在ＰＮ結的Ｐ區一側帶負電，Ｎ區一側帶正電。ＰＮ結便產生了內電場，內電場的方向從Ｎ區指向Ｐ區。內電場對擴散運動起到阻礙作用，電子和空穴的擴散運動隨著內電場的加強而逐步減弱，直至停止。在介面處形成穩定的空間電荷區。2.PN結的特性

1）正嚮導通給PN結加正向電壓，即P區接正電源，N區接負電源，此時稱PN結為正向偏置。這時PN結外加電場與內電場方向相反，當外電場大於內電場時，外加電場抵消內電場，使空間電荷區變窄，有利於多數載流子運動，形成正向電流。外加電場越強，正向電流越大，這意味著PN結的正向電阻變小。正嚮導通反向截止2）反向截止給PN結加反向電壓，稱PN結反向偏置，如圖所示。這時外加電場與內電場方向相同，使內電場的作用增強,PN結變厚，多數載流子運動難於進行，有助於少數載流子運動，形成電流IR，少數載流子很少，所以電流很小，接近於零，即PN結反向電阻很大。

綜上所述，PN結具有單向導電性，加正向電壓時，PN結電阻很小，電流IR較大，是多數載流子的擴散運動形成的；加反向電壓時，PN結電阻很大，電流IR很小，是少數載流子運動形成的。

接在二極體P區的引出線稱二極體的陽極，接在N區的引出線稱二極體的陰極。二極體有許多類型。從工藝上分，有點接觸型和麵接觸型；按用途分，有整流管、檢波二極體、穩壓二極體、光電二極體和開關二極體等。二極體的結構和類型1．二極體伏安特性

理論分析指出，半導體二極體電流I與端電壓U之間的關係可表示為

I=IS(

-1)此式稱為理想二極體電流方程。式中，IS稱為反向飽和電流，UT稱為溫度的電壓當量，常溫下UT≈26mV。實際的二極體伏安特性曲線如圖所示。圖中，實線對應矽材料二極體，虛線對應鍺材料二極體。二極體的特性及參數1）正向特性當二極體承受正向電壓小於某一數值時，還不足以克服PN結內電場對多數載流子運動的阻擋作用，這一區段二極體正向電流IF很小，稱為死區。死區電壓的大小與二極體的材料有關，並受環境溫度影響。通常，矽材料二極體的死區電壓約為0.5V，鍺材料二極體的死區電壓約為0.2V。當正向電壓超過死區電壓值時，外電場抵消了內電場，正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大，二極體正向電阻變得很小。當二極體完全導通後，正向壓降基本維持不變，稱為二極體正嚮導通壓降UF。一般矽管的UF為0.7V，鍺管的UF為0.3V。2）反向特性當二極體承受反向電壓時，外電場與內電場方向一致，只有少數載流子的漂移運動，形成的漏電流IR極小，一般矽管的IR為幾微安以下，鍺管IR較大，為幾十到幾百微安。這時二極體反向截止。當反向電壓增大到某一數值時，反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現象稱二極體反向擊穿。擊穿時對應的電壓稱為反向擊穿電壓。普通二極體發生反向擊穿後，造成二極體的永久性損壞，失去單向導電性。2．二極體的主要參數二極體參數是反映二極體性能品質的指標。必須根據二極體的參數來合理選用二極體。二極體的主要參數有4項。

1）最大整流電流IFM

IFM是指二極體長期工作時允許通過的最大正向平均電流值。工作時，管子通過的電流不應超過這個數值，否則將導致管子過熱而損壞。2）最高反向工作電壓URM

URM是指二極體不擊穿所允許加的最高反向電壓。超过此值二极管就有被反向击穿的危险。URM通常為反向擊穿電壓的1/2~2/3，以確保二極體安全工作。

3）最大反向電流IRMIRM是指二極體在常溫下承受最高反向工作電壓URM時的反向漏電流，一般很小，但其受溫度影響較大。當溫度升高時，IRM顯著增大。4）最高工作頻率fM

fM是指保持二極體單向導通性能時，外加電壓允許的最高頻率。二極體工作頻率與PN結的極間電容大小有關，容量越小，工作頻率越高。

二極體是電子電路中最常用的半導體器件。利用其單向導電性及導通時正向壓降很小的特點，可用來進行整流、檢波、鉗位、限幅、開關以及元件保護等各項工作。

1．整流所謂整流,就是將交流電變為單方向脈動的直流電。利用二極體的單向導電性可組成單相、三相等各種形式的整流電路。

2．鉗位利用二極體正嚮導通時壓降很小的特性，可組成鉗位電路。半導體二極體的應用

若A點UA=0，二極體VD可正嚮導通，其壓降很小，故F點的電位也被鉗制在0V左右，即UF≈0。3．限幅利用二極體正嚮導通後其兩端電壓很小且基本不變的特性，可以構成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值以內。

設輸入電壓ui=10sinωt(V),Us1=Us2=5V。當-Us2<ui<Us1時，VD1、VD2都處於反向偏置而截止，因此i=0,uo=ui。當ui>Us1時，VD1處於正向偏置而导通，使输出电压保持在Us1。

當ui<-Us1時，VD2處於正向偏置而導通，輸出電壓保持在-Us2。由於輸出電壓uo被限制在+Us1與-Us2之間，即|uo|≤5V,好像將輸入信號的高峰和低谷部分削掉一樣,因此這種電路又稱為削波電路。4．元件保護在電子線路中，常用二極體來保護其他元器件免受過高電壓的損害。

在開關S接通時，電源E給線圈供電，L中有電流流過，儲存了磁場能量。在開關S由接通到斷開的暫態，電流突然中斷，L中將產生一個高於電源電壓很多倍的自感電動勢eL，eL與E疊加作用在開關S的端子上，在S的端子上產生電火花放電，這將影響設備的正常工作，使開關S壽命縮短。接入二極體VD後，eL通過二極體VD產生放電電流i,使L中儲存的能量不經過開關S放掉，從而保護了開關S。1.發光二極體

1)發光二極體的符號及特性是一種將電能直接轉換成光能的固體器件，簡稱LED。發光二極體和普通二極體相似，也由一個PN結組成。發光二極體在正嚮導通時，由於空穴和電子的複合而發出能量，發出一定波長的可見光。光的波長不同，顏色也不同。常見的LED有紅、綠、黃等顏色。發光二極體的驅動電壓低、工作電流小，具有很強的抗振動和抗衝擊能力。由於發光二極體體積小、可靠性高、耗電省、寿命长，被广泛用于信号指示等电路中。特種二極體2)發光二極體的應用電源通斷指示發光二極體作為電源通斷指示通常稱為指示燈，在實際應用中給人提供很大的方便。發光二極體的供電電源既可以是直流的也可以是交流的，但必須注意的是，發光二極體是一種電流控制器件，應用中只要保證發光二極體的正向工作電流在所規定的範圍之內，它就可以正常發光。數碼管是電子技術中應用的主要顯示器件，是用發光二極體經過一定的排列組成的。

這是最常用的七段數碼顯示。要使它顯示0~9的一系列數字只要點亮其內部相應的顯示段即可。七段數碼顯示有共陽極(b)和共陰極(c)之分。數碼管的驅動方式有直流驅動和脈衝驅動兩種，應用中可任意選擇。數碼管應用十分廣泛，可以說，凡是需要指示或讀數的場合，都可採用數碼管顯示。2.穩壓二極體矽穩壓二極體簡稱穩壓管，是一種特殊的二極體，它與電阻配合具有穩定電壓的特點。1）穩壓管的伏安特性穩壓管正向偏壓時，其特性和普通二極體一樣；反向偏壓時，開始一段和二極體一樣，當反向電壓達到一定數值以後，反向電流突然上升，而且電流在一定範圍內增長時，管兩端電壓只有少許增加，變化很小，具有穩壓性能。這種“反向擊穿”是可恢復的，只要外電路限流電阻保障電流在限定範圍內，就不致引起熱擊穿而損壞穩壓管。2）穩壓管的主要參數

a.穩定電壓值UVDZ:穩壓管在正常工作時管子的端電壓,一般為3~25V，高的可達200V。

b.穩定電流IVDZ:穩壓管正常工作時的參考電流。開始穩壓時對應的電流最小，為最小穩壓電流IVDZmin；對應額定功耗時的穩壓電流為最大穩壓電流IVDZmax。

c.動態電阻rVDZ:穩壓管端電壓的變化量ΔUVDZ與對應電流變化量ΔIVDZ之比，即d.穩定電壓的溫度係數:當溫度變化1℃時穩壓管的穩壓值UVDZ的相對變化量。

e.穩壓管額定功耗PVDZM:保證穩壓管安全工作所允許的最大功耗。其大小為

PVDZM=UVDZIVDZmax

3）穩壓二極體的應用

UI是不穩定的可變直流電壓，希望得到穩定的電壓UO，故在兩者之間加穩壓電路。它由限流電阻R和穩壓管VDZ構成，RL是負載電阻。1-2半導體三極管

三極管是由兩個PN結、3個雜質半導體區域組成的，因雜質半導體有P、N型兩種，所以三極管的組成形式有NPN型和PNP型兩種。1.三極管的結構及類型不管是NPN型還是PNP型三極管，都有三個區：基區、發射區、集電區，以及分別從這三個區引出的電極：發射極e、基極b和集電極c;兩個PN結分別為發射區與基區之間的发射结和集电区与基区之间的集电结。三極管的結構及類型

三極管基區很薄，一般僅有1微米至幾十微米厚，發射區濃度很高，集電結截面積大於發射結截面積。使用中要注意電源的極性，確保發射結永遠加正向偏置電壓，三極管才能正常工作。三極管根據基片的材料不同，分為鍺管和矽管兩大類，目前國內生產的矽管多為NPN型（3D系列），鍺管多為PNP型（3A系列）；從頻率特性分，可分為高頻管和低頻管；從功率大小分，可分為大功率管、中功率管和小功率管。2.三極管電流分配和放大作用

實驗得出如下结论：

IE=IC+IB

IC≈IE

三個電流之間的關係符合基爾霍夫電流定律，IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB改變而改變。

β稱為三極管的電流放大係數，它反映三極管的電流放大能力，也可以說電流IB對IC的控制能力。1)三極管內部載流子的運動規律三極管電流之間為什麼具有這樣的關係呢？這可以通過在三極管內部載流子的運動規律來解釋。

a.發射區向基區發射電子。電源UBB經過電阻Rb加在發射結上，發射結正偏，發射區的多數載流子——自由電子不斷地越過發射結而進入基區，形成發射極電流IE。同時，基區多數載流子也向發射區擴散，但由於基區很薄，可以不考慮這個電流。因此，可以認為三極管發射結電流主要是電子流。b.基區中的電子進行擴散與複合。電子進入基區後，先在靠近發射結的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區中向集電結擴散，被集電結電場拉入集電區，形成集電結電流IC。也有很小一部分電子與基區的空穴複合，形成複合電子流。擴散的電子流與複合電子流的比例決定了三極管的放大能力。c.集電區收集電子。由於集電結外加反向電壓很大，這個反向電壓產生的電場力將阻止集電區電子向基區擴散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区而形成集电结主电流ICN。另外集电区的少数载流子——空穴也會產生漂移運動，流向基區，形成反向飽和電流ICBO，其數值很小，但對溫度卻非常敏感。

2）三極管的電流分配關係綜合載流子的運動規律，三極管內的電流分配如圖所示，圖中的箭頭表示電流方向。由於三極管基區的雜質濃度很低，且厚度很薄，這就減小了電子和空穴複合的機會，所以從發射區注入到基區的電子只有很小一部分在基區複合掉，絕大部分到達集電區。這就是說構成發射極電流IE的兩部分中，IBE部分是很小的，ICE部分所占百分比是大的，若它們的比值用hFE本表示，則有hFE本表示三極管的電流放大能力，稱為本征電流放大係數。它的大小取決於基區中載流子擴散與複合的比例關係，這種比例關係是由管子內部結構決定的，一旦管子製成後，這種比例關係（hFE本值）也就確定了。各極電流滿足下列分配關係：

IB=IBE-ICBO

IC=ICE+ICBO

=hFE本IBE+ICBO

=hFE本(IB+ICBO)+ＩCBO

=hFE本IB+(1+hFE本)ICBO

=hFE本IB+ICEO

ICEO=(1+hFE本)ICBO

IE=ICE+IBE

=(IC-ICBO)+(IB+ICBO)

=IC+IB

由三極管內部的載流子運動規律可知，集電極電流IC主要來源於發射極電流IE，而同集電極外電路幾乎無關，只要加到集電結上的反向電壓能夠把從基區擴散到集電結附近的電子吸引到集電區即可。這就是三極管的電流控制作用。三極管能實現放大作用也是以此為基礎的，這也是三極同二極體一個質的區別所在。

IE的大小是由發射結上的外加正向電壓UBE的大小決定的，UBE的變化將引起IE的變化，IE的變化再引起IB和IC的變化，所以，實質上是發射結上的正向電壓UBE對各極電流有控制作用。UBE變化能引起IC變化的現象，本應理解為電壓控制，但二者的關係是非線性的，表達起來很不方便，當ICBO（或ICEO）可忽略時，則有IC≈hFE本IB，表明IC同IB（或IE）有一個比例關係，使用起來很方便，所以通常說IC受IB（或IE）控制，或者說，IC隨IB（或IE）成正比變化。

這裏還需指出，三極管的結構特點是它具有電流控制作用的內部依據，而發射結正向偏置、集電結反向偏置是它實現電流控制作用的外部條件。這是因為IC受IB（或IE）控制，是在滿足上述外部條件下實現的，因此，三極管在作放大運用時的直流供電必須滿足這個外部條件。

3）放大作用在基極回路（b、e間）加入一個待放大的信號電壓us;在集電極回路（c、e間）串入一個負載電阻RL，RL兩端電壓變數為Δuo。基極接信號稱輸入端，集電極接負載，稱之為輸出端，發射极既接信号又接负载，称之为公共端。这种连接方式称为共发射极接法。

1.共射輸入特性

1)當UCE=0時的輸入特性（圖中曲線①）當UCE=0時，相當於集電極和發射極間短路，三極管等效成兩個二極體並聯，其特性類似於二極體的正向特性。三極管的特性曲線2)當UCE≥1V時的輸入特性（圖中曲線②）當UCE≥1V時，輸入特性曲線右移（相對於UCE=0時的曲線），表明對應同一個UBE值，IB減小了，或者說，要保持IB不變，UBE需增加。這是因為集電結加反向電壓，使得擴散到基區的載流子絕大部分被集電結吸引過去而形成集電極電流IC,只有少部分在基區複合，形成基极电流IB,所以IB減小而使曲線右移。對應輸入特性曲線某點（例如圖1.2.8的Q點）切線斜率的倒數，稱為三極管共射極接法（Q點處）的交流輸入電阻，記作rbe,即

2.輸出特性曲線

輸出特性曲線是指當三極管基極電流IB為常數時，集電極電流IC與集電極、發射極間電壓UCE之間的關係，即：

IC=f(UCE)|IB

=常數输出特性曲线如图所示。1）截止區

2）放大區

a.對應同一個IB值，|UCE|增加時，IC基本不變（曲線基本与横轴平行）。

b.對應同一個UCE值，IB增加，IC顯著增加，並且IC的變數ΔIC與IB的變數ΔIB基本為正比关系（曲线簇等间距）。

3）飽和區

1.電流放大係數β

動態（交流）電流放大係數β