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1、第1章 半导体器件第1页，共26页，编辑于2022年，星期日1.1 PN结结半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。半半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。1.1.1 半导体的导电特征半导体的导电特征半导体半导体半导体半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅如硅(Si)Si)、锗锗(Ge)Ge)。硅和锗是硅和锗是4 4价元素。价元素。第2页，共26页，编辑于2022年，星期日 室温下，少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由室温下，少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，在
2、共价键中留下一个空位这个空位称为电子，在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴空穴空穴空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。正电荷一样。在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过通过共价键共价键共价键共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。对电子。1 1 1 1热激发产生自由电子和空穴热激发产生自由电子和空穴热激发产生自由电子和空穴热激发产生自由电子和空穴第3页，共26页，编
3、辑于2022年，星期日 有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，相当于带正电荷的价电子依次填补空穴的运动，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。荷的空穴作相反方向的运动。本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。在一定温度下带正电荷的空穴。在一定温度下,自由电子和空穴维持一自由电子和空穴维持一定的浓
4、度。定的浓度。2 2 2 2空穴的运动空穴的运动空穴的运动空穴的运动第4页，共26页，编辑于2022年，星期日3.3.3.3.在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强力将大大增强力将大大增强力将大大增强 在纯净半导体硅或锗中掺入在纯净半导体硅或锗中掺入5价元素。价元素。这类元素在构成的共价键结构中，存在多余的价电子，这类元素在构成的共价键结构中，存在多余的价电子，从而产生大量自由电子。从而产生大量自由电子。这种半导体主要靠自由电子导电，这种半导体主要靠自由电子导电
5、，称为电子半导体或称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子型半导体，其中自由电子为多数载流子。（1 1）N N型半导体型半导体型半导体型半导体自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）第5页，共26页，编辑于2022年，星期日（2 2）P P型半导体型半导体型半导体型半导体 在纯净半导体硅或锗中掺入在纯净半导体硅或锗中掺入3价元素。价元素。这这类类元元素素在在构构成成的的共共价价键键结结构构中中，缺缺少少价价电电子子，从从而而形形成成大大量量空空穴穴。这这类类半半导导体体主主要要靠靠空空穴穴运运动动，称称为为空穴半导体或空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子
6、。型半导体，其中空穴为多数载流子。自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）第6页，共26页，编辑于2022年，星期日 无论无论P P型半导体还是型半导体还是N N型半导体，都是中性的，型半导体，都是中性的，对外不显电性。对外不显电性。第7页，共26页，编辑于2022年，星期日 将一块半导体的一侧掺杂成将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺型半导体，另一侧掺杂成杂成N型半导体，型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层个特殊的薄层 PNPNPNPN结结结结。1 1 1 1PNPNPNPN结的形成结的形成结的形成结的形成1.1.2
7、PN结及其单向导电性结及其单向导电性 半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，载流子将会半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩扩扩扩散运动散运动散运动散运动。第8页，共26页，编辑于2022年，星期日 多子多子扩散扩散 形成空间电荷区形成空间电荷区产生内电场产生内电场 少子少子漂移漂移促使促使阻止阻止 扩散与漂移达到动态平衡扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的形成一定宽度的PN结结第9页，共26页，编辑于2022年，星期日n外加正向电压（也叫正向偏置）外加正向电压（也叫正向偏置）n内电场被削弱，扩
8、散运动大大超过漂移运动，内电场被削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子区电子不断扩散到不断扩散到P区，区，P区空穴不断扩散到区空穴不断扩散到N区，形成较区，形成较大的正向电流，大的正向电流，这时这时PN结处于结处于导通导通导通导通状态状态。2 2PNPN结的单向导电性结的单向导电性第10页，共26页，编辑于2022年，星期日n外加反向电压（也叫反向偏置）外加反向电压（也叫反向偏置）n内电场内电场增强增强，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，小，这时这时PN结
9、处于结处于截止截止截止截止状态。状态。第11页，共26页，编辑于2022年，星期日 一一个个PNPN结结加加上上相相应应的的电电极极引引线线并并用用管管壳壳封封装装起起来来，就构成了半导体二极管就构成了半导体二极管，简称二极管。，简称二极管。半半导导体体二二极极管管按按其其结结构构不不同同可可分分为为点点接接触触型型和和面面接接触触型型两两类类。点点接接触触型型二二极极管管多多用用于于高高频频检检波波及及脉脉冲冲数数字字电电路路中中的的开开关关元元件件；面面接接触触型型二二极极管管多多用用在低频整流电路中。在低频整流电路中。1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 1.2.1 半导体二极管的
10、结构半导体二极管的结构第12页，共26页，编辑于2022年，星期日（1 1）正向特性）正向特性）正向特性）正向特性外加正向电压较小时，外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电外电场不足以克服内电场的阻力，场的阻力，PN结仍处结仍处于截止状态于截止状态。正向电压大于死区电正向电压大于死区电压后，正向电流压后，正向电流 随着随着正向电压的增大迅速上正向电压的增大迅速上升。升。1.2.2 1.2.2 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性第13页，共26页，编辑于2022年，星期日 外加反向电压时，外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向结处于截止状态，反向电流电流 很小。很小。（2 2）反向
11、特性）反向特性）反向特性）反向特性通常，死区电压硅管约为通常，死区电压硅管约为0.5V，锗管约为锗管约为0.2V。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。第14页，共26页，编辑于2022年，星期日（1）最大整流电流）最大整流电流IOM：指管子长期运行时，允许通指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压）反向击穿电压UB：指管子反向击穿时的电压值。指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压）最大反向工作电压UDRM：二极管运行时允许承二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为受的最大反向电压（约为UB
12、的一半）。的一半）。（4）最大反向电流）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。其值越小，则管子的单向导电性越好。（5）最高工作频率）最高工作频率fm：主要取决于主要取决于PN结结电容的大小。结结电容的大小。1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数第15页，共26页，编辑于2022年，星期日理想二极管理想二极管 正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。特性，反向漏电
13、流忽略不计。第16页，共26页，编辑于2022年，星期日稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：（1）稳定电压）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压：反向击穿后稳定工作的电压（2）稳稳定定电电流流IZ。工工作作电电压压等等于于稳稳定定电电压压时时的的电电流。流。稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用：电流增量很大，电压变化稳压管的稳压作用：电流增量很大，电压变化很小很小。1.3 特殊二极管特殊二极管1.3.1 1.3.1 稳压管稳压管第17页，共26页，编辑于2022
14、年，星期日1.3.2 1.3.2 发光二极管发光二极管 当发光二极管的当发光二极管的PN结加上正向电压时，电结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。子与空穴复合过程以光的形式放出能量。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光的光，常用于信号指示、数字和字符显示。，常用于信号指示、数字和字符显示。第18页，共26页，编辑于2022年，星期日1.4 三极管三极管1.4.1 1.4.1 三极管的结构及类型三极管的结构及类型三极管的结构及类型三极管的结构及类型 半导体三极管是由两个背靠背的半导体三极管是由两个背靠背的PNPN结构成的。结构成的。在
15、工在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管。又称为双极型晶体管。两个两个PNPN结把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，结把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是可以是N-P-NN-P-N，也可以是也可以是P-N-PP-N-P。因此，三极管有两种类因此，三极管有两种类型：型：NPNNPNNPNNPN型型型型和和PNPPNPPNPPNP型型型型。第19页，共26页，编辑于2022年，星期日NPN型PNP型箭箭头头方方向向表表示示发发射射结结加加正正向向电电压压时时的的电电流流方方向向第20页，共26页，编辑于2
16、022年，星期日1.4.2 1.4.2 电流放大作用电流放大作用电流放大作用电流放大作用（1 1）产生放大作用的条件）产生放大作用的条件 内部：内部：a）发射区杂质浓度发射区杂质浓度基区基区集电区集电区 b）基区很薄基区很薄 外部：发射结正偏，集电结反偏外部：发射结正偏，集电结反偏（2 2）内部载流子的传输过程）内部载流子的传输过程a）发射区向基区注入多子，形成发射极电流发射区向基区注入多子，形成发射极电流 iEb）多子在基区中扩散与复合，形成基极电流多子在基区中扩散与复合，形成基极电流 iBc）集电区收集扩散过来的多子，形成集电极电流集电区收集扩散过来的多子，形成集电极电流 iC第21页，共
17、26页，编辑于2022年，星期日（3 3）电流分配关系：）电流分配关系：i iE E=i=iC C+i+iB B 第22页，共26页，编辑于2022年，星期日实验表明：实验表明：IC比比IB大数十至数百倍。大数十至数百倍。I IB B虽然很小，虽然很小，但但I IC C随随I IB B的改变而改变，表明基极对集电极具有的改变而改变，表明基极对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。大作用。1.4.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线三极管的特性曲线三极管的特性曲线1 1 1 1输入特性曲线输入特性曲线与二极管类似第23页，共26页，编辑
18、于2022年，星期日2 2 2 2输出特性曲线输出特性曲线（1）放大区）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）截止区：）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置发射结反向偏置，集电结反向偏置（3）饱和区：）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置发射结正向偏置，集电结正向偏置 此时此时 第24页，共26页，编辑于2022年，星期日第25页，共26页，编辑于2022年，星期日1.4.4 三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的主要参数1、电流放大系数、电流放大系数：iC=iB2、极间反向电流、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+）iCBO3、极限参数、极限参数 （1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流 ICM：下降到额定下降到额定值值的的2/3时所允许的最大集电极电流。时所允许的最大集电极电流。（2）反向击穿电压）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。电极、发射极间的最大允许电压。（3）集电极最大允许功耗）集电极最大允许功耗PCM。第26页，共26页，编辑于2022年，星期日