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1、 电子技术电工电子系电工电子系电子技术使用教材：使用教材：电子技术基础电子技术基础 李春茂李春茂 主编主编 机械工业出版社机械工业出版社 电子技术电工电子系电工电子系第第1讲讲第第1章章 半导体器件半导体器件1.1 半导体的基础知识，半导体的基础知识，P型硅，型硅，N型硅型硅1.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管1.3 稳压二极管稳压二极管1.4 半导体三极管半导体三极管 电子技术电工电子系电工电子系1.1.1 本征半导体本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅
2、原子硅原子Ge锗原子锗原子1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 电子技术电工电子系电工电子系通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成制成晶体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为称为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。电子技术电工电子系电工电子系硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子 电子技术电工电子系
3、电工电子系共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱，常温下束缚电子很难脱离共价键成为离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体中，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4 电子技术电工电子系电工电子系室温下，由于热运动少
4、数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时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，就好象空穴带正电荷一样。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，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。电子技术电工电子系电工电子系杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度其原因是掺杂半导体的某种载流子
5、浓度大大增加。载流子：电子，空穴大大增加。载流子：电子，空穴N型半导体型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）（主要载流子为电子，电子半导体）P型半导体型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）（主要载流子为空穴，空穴半导体）电子技术电工电子系电工电子系N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几原子形成共价键，必定多
6、出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。硅或锗硅或锗+少量磷少量磷 N型半导体型半导体 电子技术电工电子系电工电子系N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSi 电子技术电工电子系电工电子系P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，
7、硼铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。硅或锗硅或锗+少量硼少量硼 P型半导体型半导体 电子技术电工电子系电工电子系空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且空
8、穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动可以移动 电子技术电工电子系电工电子系杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体 电子技术电工电子系电工电子系1.2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型半导体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结。结。1.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管 电子技术电工电子系电工电子系P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN
9、结处载流子的运动结处载流子的运动 电子技术电工电子系电工电子系扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。电子技术电工电子系电工电子系漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡
10、，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。电子技术电工电子系电工电子系1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意的意思都是：思都是：P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意的意思都是：思都是：P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。电子技术电工电子系电工电子系PN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_
11、正向电流正向电流 电子技术电工电子系电工电子系PN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小，A级级 电子技术电工电子系电工电子系1.2.3 半导体二极管半导体二极管(1)、基本结、基本结构构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号符号阳极阳极阴极阴极 电子技术电工电子系电工电子系(2)、伏安特、伏安特性性UI导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.2。反向击穿电反向击穿电压压U(B
12、R)死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.2V。UIE+-反向漏电流反向漏电流（很小，（很小，A级）级）电子技术电工电子系电工电子系（3）静态电阻）静态电阻Rd，动态电阻，动态电阻 rDUQIQUS+-R静态工作点静态工作点Q（UQ，IQ）电子技术电工电子系电工电子系（3）静态电阻）静态电阻Rd，动态电阻，动态电阻 rDiuIQUQQ IQ UQ静态电阻静态电阻：Rd=UQ/IQ （非线性）（非线性）动态电阻：动态电阻：rD=UQ/IQ在工作点在工作点Q附近，动态电附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为阻又称为微变等效电阻微变等效电阻 电子技术电工电子系电工
13、电子系例例1：二极管：死区电压：二极管：死区电压=0.5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管)理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0，正向压降，正向压降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流 电子技术电工电子系电工电子系例例2：二极管的应用：二极管的应用RRLuiuRuotttuiuRuo 电子技术电工电子系电工电子系1.3 稳压二极管稳压二极管IZmax+-稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作当稳压二极管工作在反向击穿状态下在反向击穿状态下,当工作电流当工作电流IZ在在Izmax和和 I
14、zmin之间时之间时,其两端电压近似为其两端电压近似为常数常数正向同正向同二极管二极管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压 电子技术电工电子系电工电子系例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k，输入电，输入电压压ui=12V，限流电阻，限流电阻R=200 。若。若负载电阻负载电阻变化范围变化范围为为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？，是否还能稳压？电子技术电工电子系电工电子系RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k)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=1.5 k ,iL（mA）,iZ（mA）RL=4 k ,iL（mA）,iZ（mA）负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之间之间,所以所以稳压管仍能起稳压作用稳压管仍能起稳压作用