第1章 常用半导体器件
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《模拟电子技术基础》(童诗白)课后习题答案
模拟电子技术基础第 1 章常用半导体器件1.1选择合适答案填入空内。
(l)在本征半导体中加入( A )元素可形成N 型半导体，加入( C )元素可形成P 型半导体。
A.五价B. 四价C. 三价(2)当温度升高时，二极管的反向饱和电流将(A) 。
A.增大B.不变C.减小(3)工作在放大区的某三极管，如果当I B 从12 uA 增大到22 uA 时，I C 从l mA 变为2mA ，那么它的β约为( C ) 。
A.83B.91C.100(4)当场效应管的漏极直流电流I D 从2mA 变为4mA 时,它的低频跨导g m 将( A ) 。
A.增大；B.不变；C.减小1.2电路如图P1.2 所示，已知u i = 10sinωt (V)，试画出u i 与u o 的波形。
设二极管导通电压可忽略不计。
图P1.2 解图P1.2解：u i 与u o 的波形如解图Pl.2 所示。
1.3电路如图P1.3 所示，已知u i =5sinωt(V)，二极管导通电压U D=0.7V。
试画出u i 与u o 的波形图，并标出幅值。
图P1.3 解图P1.31.4电路如图P1.4 所示, 二极管导通电压U D=0.7V,常温下U T≈ 26mV ，电容C 对交流信号可视为短路；u i 为正弦波，有效值为10mV。
试问二极管中流过的交流电流的有效值为多少？解：二极管的直流电流I D = (V −U D ) / R = 2.6mA其动态电阻:r D ≈U T / I D =10Ω图 P1.4故动态电流的有效值： I d = U i / r D ≈1mA1.5 现有两只稳压管，稳压值分别是 6V 和 8V ，正向导通电压为 0.7V 。
试问： (1)若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？ (2)若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？解：(1)串联相接可得 4 种：1.4V ；14V ；6.7V ；8.7V 。
(2)并联相接可得 2 种：0.7V ；6V 。
14211431电子技术知识点
第1章：常用半导体器件-复习要点基本概念：了解半导体基本知识和PN结的形成及其单向导电性；掌握二极管的伏安特性以及单向导电性特点，理解二极管的主要参数及意义，掌握二极管电路符号；理解硅稳压管的结构和主要参数，掌握稳压管的电路符号；了解三极管的基本结构和电流放大作用，理解三极管的特性曲线及工作在放大区、饱和区和截止区特点，理解三极管的主要参数，掌握NPN型和PNP型三极管的电路符号。
分析依据和方法：二极管承受正向电压（正偏）二极管导通，承受反向电压（反偏）二极管截止。
稳压管在限流电阻作用下承受反向击穿电流时，稳压管两端电压稳定不变（施加反向电压大于稳定电压，否者，稳压管反向截止）；若稳压管承受正向电压，稳压管导通（与二极管相同）。
理想二极管和理想稳压管：作理想化处理即正向导通电压为零，反向截止电阻无穷大。
三极管工作在放大区：发射结承受正偏电压；集电结承受反偏电压；三极管工作在饱和区：发射结承受正偏电压；集电结承受正偏电压；三极管工作在截止区：发射结承受反偏电压；集电结承受反偏电压；难点：含二极管和稳压管电路分析，三极管三种工作状态判断以及三极管类型、极性和材料的判断。
常用填空题类型：1.本征半导体中价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，留下一个空位称为空穴，它们分别带负电和正电，称为载流子。
2.在本征半导体中掺微量的五价元素，就称为N型半导体，其多数载流子是自由电子，少数载流子是空穴，它主要依靠多数载流子导电。
3.在本征半导体中掺微量的三价元素，就称为P型半导体，其多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，它主要依靠多数载流子导电。
4.PN结加正向电压时，有较大的电流通过，其电阻较小，加反向电压时处于截止状态，这就是PN结的单向导电性。
5.在半导体二极管中，与P区相连的电极称为正极或阳极，与N区相连的电极称为负极或阴极。
6.晶体管工作在截止区的条件是：发射结反向偏置，集电结反向偏置。
7.晶体管工作在放大区的条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。
常用半导体器件
1.特点：非线性
I
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N 反向特性
外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。
正向特性
P+ – N
导通压降
硅0.6~0.8V 锗0.1~0.3V
U
硅管0.5V, 开启电压
锗管0.1V。
外加电压大于开启 电压二极管才能通。
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
外电场
+–
P接正、N接负
动画
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
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PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
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一、本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压， 一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。 二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
第1章常用半导体器件
ui=0时直流电源作用
根据电流方程，rd
uD iD
UT ID
小信号作用
Q越高，rd越小。 静态电流
3. 二极管电路应用举例
（1）开关电路（掌握）
方法：假设法，将D管断开 原则一：单向导电性
阳极 a
k 阴极
D
V阳>V阴，D管正偏，导通 V阳< V阴，D管反偏，截止
原则二：优先导通原则（多二极管电路中）
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高
于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。
2
98 0.98
100
综上所述，实现晶体三极管放大作用的 两个条件是：
（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区 杂质浓度，且基区很薄。
（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反 向偏置。
正偏电压工作，通电流→发光，电信号→光信号 光颜色：红、橙、黄、绿（与材料磷、砷、镓、化有关）
3. 激光二极管
（a）物理结构 （b）符号
发光二极管
光电二极管
一、晶体管的结构及类型 二、晶体管的电流放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数
三极管：电流放大（三个电极）
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
劳动第三版电子电路基础---第一章-常用半导体器件1.2分解
解： 由放大条件的分析知，三个管脚中B极的电位介于C极和E极之间，
所以要判断管型、材料及电极，可按下面四步进行。
第一步 找B极。管脚1为基极。 第二步 判断材料。U1-U2既不等于0.7V，也不等于0.3V，而 U1－U3=2.7－2＝0.7V所以该三极管为硅管。 第三步 判断发射极和管型。因U1－U3＝0.7V，管脚3为发射极，又因 U2>U1> U3,所以该三极管为NPN型三极管。 最后确定剩余的管脚为集电极。
共集电极：只有电流放大，没有电压放大，电 路输入电阻很大，输出电阻很小，用作阻抗 匹配。
2.三极管的电流放大作用
分析以上电路 调节电位器RP可改变基极电流IB，用电流表可测得相应的IC和IE。
（1）发射极电流等于集电极与基极电流之和IE=IC+IB。由于基极电流很 小，所以集电极电流与发射极电流近似相等，即IC≈IE
（2）集电极-发射极间的反向击穿电压U（BR）CEO
基极开路时，加在C与E极间的最大允许电压。 使用时，一般UCE＜U（BR）CEO，否则易造成管子击穿。选 管时，U（BR）CEO≥UCE。 （3）集电极最大允许耗散功率PCM 集电极消耗功率的最大限额。根据三极管的最高温度 和散热条件来规定最大允许耗散功率PCM，要求PCM≥ICUCE 。
IC I B ICEO
3、共射特征频率fT: 是指三极管的 值下降到1 时所对应的信号频率。
4、极限参数 表示三极管工作时，不允许超过的极限值。
（1）集电极最大允许电流ICM
集电极电流过大时，三极管的β值要降低，一般规定 β值下降到正常值的2/3时的集电极电流为集电极最大允
许电流。使用时一般IC＜ICM，否则管子易烧毁。选管时， ICM≥IC。
同一只三极管，在相同的工作条件下hFE≈β，应用中不
所以要判断管型、材料及电极，可按下面四步进行。
第一步 找B极。管脚1为基极。 第二步 判断材料。U1-U2既不等于0.7V，也不等于0.3V，而 U1－U3=2.7－2＝0.7V所以该三极管为硅管。 第三步 判断发射极和管型。因U1－U3＝0.7V，管脚3为发射极，又因 U2>U1> U3,所以该三极管为NPN型三极管。 最后确定剩余的管脚为集电极。
共集电极：只有电流放大，没有电压放大，电 路输入电阻很大，输出电阻很小，用作阻抗 匹配。
2.三极管的电流放大作用
分析以上电路 调节电位器RP可改变基极电流IB，用电流表可测得相应的IC和IE。
（1）发射极电流等于集电极与基极电流之和IE=IC+IB。由于基极电流很 小，所以集电极电流与发射极电流近似相等，即IC≈IE
（2）集电极-发射极间的反向击穿电压U（BR）CEO
基极开路时，加在C与E极间的最大允许电压。 使用时，一般UCE＜U（BR）CEO，否则易造成管子击穿。选 管时，U（BR）CEO≥UCE。 （3）集电极最大允许耗散功率PCM 集电极消耗功率的最大限额。根据三极管的最高温度 和散热条件来规定最大允许耗散功率PCM，要求PCM≥ICUCE 。
IC I B ICEO
3、共射特征频率fT: 是指三极管的 值下降到1 时所对应的信号频率。
4、极限参数 表示三极管工作时，不允许超过的极限值。
（1）集电极最大允许电流ICM
集电极电流过大时，三极管的β值要降低，一般规定 β值下降到正常值的2/3时的集电极电流为集电极最大允
许电流。使用时一般IC＜ICM，否则管子易烧毁。选管时， ICM≥IC。
同一只三极管，在相同的工作条件下hFE≈β，应用中不
第1章 (3)常用半导体器件FET
Si
B
P衬底
一、 NMOS 1. 结构 2. 工作机理 工作机理(定性分析) 3. 伏安特性曲线 伏安特性曲线(定量分析) ① 输出特性曲线 ID = f(UDS) | UGS=C. ② 转移特性曲线 ID = f(UGS) | UDS=C.
d g
VDD s －
B
Rd
UDS
＋ ID d
VGG g s － UGS ＋ IG= 0
型
d g
2.PMOS —— ①增强型 d ②耗尽型 g s 2. JFET ————— 1.N沟道 沟道 g 2.P沟道 沟道 s d
g
1.3 场效应晶体三极管 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应管(“IGFET”)
FET分: 分
( 6 种管子 种管子)
P45 g
。。。。。。。。。。。。 ·。
纵向电场[垂直电场 纵向电场 垂直电场] — 横向电场 垂直电场 表面场效应器件— 表面场效应器件 体内场效应器件
Si
B
P衬底
1.3 场效应晶体三极管 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应管(“IGFET”)
一、 NMOS 1. 结构 2. 工作机理 工作机理(定性分析)
P45 g
B
VDD s －
Rd
UDS
＋ ID d
VGG g s － UGS ＋ IG= 0
RGS= ∞
⊕ ⊕ N+ :::::: :::::::: 。。。。 ⊕ ⊕ ::::::: ⊕·。⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕⊕ :::: 。。。。 ⊕
①栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0) 栅极电压的控制作用 开启电压U 反型层(N型 开启电压 GS(th)(或UT) —反型层 型) 或 反型层 ②漏源电压UDS对导电沟道的影响 漏源电压 UDS=0时 — UDS≠0时 预夹断 时 时
第1章常用半导体器件
1.1.1 本征半导体
纯净的具有晶体结构的半导体
一、导体、半导体和绝缘体 导体、
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体， 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 导体 一般都是导体。 一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体 绝缘体， 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 陶瓷、塑料和石英。 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体： 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 半导体， 体之间，称为半导体 如锗、 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。 和一些硫化物、氧化物等。
二、P 型半导体
杂质元素， 在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 铟等， 型半导体。 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。
+4 +4 +4
3 价杂质原子称为 受主原子。 受主原子。 空穴浓度多于电子 浓度， 浓度，即 p >> n。空穴 。 为多数载流子， 为多数载流子 ， 电子为 少数载流子。 少数载流子。
五、PN结的电容效应 结的电容效应
上的电压发生变化时， 当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量 上的电压发生变化时 将随之发生变化， 结具有电容效应。 将随之发生变化，使PN结具有电容效应。 结具有电容效应 势垒电容 电容效应包括两部分 扩散电容 1. 势垒电容 b 势垒电容C 结的空间电荷区变化形成的。 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。
公式推导过程略
四、PN结的伏安特性 结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。 之间的关系曲线。
i/ mA
60 40 20 –50 –25 0 0.5 1.0 u / V – 0.002
正向特性
纯净的具有晶体结构的半导体
一、导体、半导体和绝缘体 导体、
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体， 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 导体 一般都是导体。 一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体 绝缘体， 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 陶瓷、塑料和石英。 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体： 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 半导体， 体之间，称为半导体 如锗、 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。 和一些硫化物、氧化物等。
二、P 型半导体
杂质元素， 在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 铟等， 型半导体。 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。
+4 +4 +4
3 价杂质原子称为 受主原子。 受主原子。 空穴浓度多于电子 浓度， 浓度，即 p >> n。空穴 。 为多数载流子， 为多数载流子 ， 电子为 少数载流子。 少数载流子。
五、PN结的电容效应 结的电容效应
上的电压发生变化时， 当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量 上的电压发生变化时 将随之发生变化， 结具有电容效应。 将随之发生变化，使PN结具有电容效应。 结具有电容效应 势垒电容 电容效应包括两部分 扩散电容 1. 势垒电容 b 势垒电容C 结的空间电荷区变化形成的。 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。
公式推导过程略
四、PN结的伏安特性 结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。 之间的关系曲线。
i/ mA
60 40 20 –50 –25 0 0.5 1.0 u / V – 0.002
正向特性
1章 常用半导体器件图
ΔI 0
0
ui
U
ΔU
例4.Dio －
E
5.稳压管的参数及应用
• ⑴.稳压管的(应用电路)工作原理：
IR ＋
R
Ui
Z
IZ
IL RL
•
┗┓ D
－
IR=IZ + IL IR =(Ui –UZ)/R
稳压管的伏安特性和等效电路
返回
⑴.稳压管稳压电路
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⑵.稳压管的参数
• • • • • ①.稳定电压UZ ②.稳定电流IZ ③.额定功耗PZ ④.稳压管的温度系数 ⑤.动态电阻rZ
(1).PN结内部载流子 的运动：
①.多子的扩散运动： ②.自建电㘯和 耗尽层的形成： 载流子复合
③.少数载流子的 漂移运动：
返回
2. PN结的单向导电性：
(1). PN结加正向电压时导通
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(2).PN结加反向电压时截止
返回
3.PN结的伏安特性
• ⑴. PN结的电流方程：
i Is(
qu kT
返回
图1.5.1 单结晶体管的结构示意图和等效电路
返回
图1.5.2 单结晶体管特性曲线的测试
返回
图1.5.3 单结晶体管组成的振荡电路
返回
图1.5.4 晶闸管的外形
返回
图1.5.5 晶闸管的结构、等效电路和符号
返回
图1.5.6 晶闸管的工作原理
返回
图1.5.7 晶闸管的伏安特性曲线
返回
返回
图1.6.1 基片与管芯图
返回
图1.6.2 集成电路的剖面图及外形
返回
图1.6.3 PN结隔离的制造工艺
Pi=Ni
P = Pa ＋ Pi N = Ni （多子）P＞n（少子）
第一章常用半导体器件 (2)
Cb
• d
S
式中ε是介质常数，S是PN结的面积，d是PN结的宽度。
❖ 扩散电容Cd
Cd是PN结正向电压变化时， 多数载流子在扩散过程中积累 引起的。反向偏置时，以扩散 电容Cd为主。
PN结正偏时，多数载流子扩 散到对方成为对方区域中的“少 子” (称为“非平衡少子”）这 些少子在正偏电压变化时，也有 堆积与泄放的过程。
＋4
＋4
＋4
电流是电子电流和空穴电流之和，
(而导体只有自由电子导电)。
图 1.1.2 电子-空穴对的产生和空穴的移动
在本征半导体中不断地进行着激发与复合 两种相反的过程， 当温度一定时， 两种状态 达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对， 与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为 动态平衡状态（热平衡）。 半导体中自由 电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载 流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态 下的本征半导体，其载流子的浓度是一定的， 并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。
第一章 常用半导体器件
1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管
有关半导体的基本概念
• 本征半导体、杂质半导体 • 施主杂质、受主杂质 • N型半导体、P型半导体 • 自由电子、空穴 • 多数载流子、少数载流子
§ 1.1 半导体基础知识
自然界的物质按其导电能力可分为导体、半导 体和绝缘体三类。常用的半导体材料有硅（Si）和 锗（Ge）。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。
1.2.4. 二极管的等效电路
(a)理想二极管
(b)正向导通时端电压为常量 (c)正向导通时端电压与电流成线性关系
图１．２．４由伏安特性折线化得到的等效电路
《电子技术基础》第1章
集电结 集电极c
发射结
Collector
基极b Base 发射极e Emitter NPN型
PNP型
晶体管的分类
材料
用途
硅管
锗管 放大管 开关管 低频管
结构
PNP
NPN
不论是硅管还是锗管 都有NPN型和PNP型
频率
高频管
功率
小功率管 中功率管 大功率管
2．晶体三极管的放大原理
晶体三极管具有放大作用，因此常 用它组成放大电路。放大电路框图如图 1-6所示。在输入端加上一个小信号ui， 在输出端可以得到比较大的信号uo。
图1-6 放大电路框图
三极管的三种连接方法
晶体三极管只有三个电极，用它组成放大电路时，一 个电极作为输入端，一个电极作为输出端，剩下的一个 电极作为输入、输出的公共端，所以用三极管组成放大 器时就有三种接法。如图1-7所示。
图1-7 三极管的三种连接方法
（1）晶体三极管具有放大作用的条件
要使三极管能够放大，必须满足一定的外部条件 ： 发射结加一个正向电压，习惯上称为正向偏置。 P端电位大于N端电位。 给集电结加一个反向电压，习惯上称为反向偏置 。 P端电位小于N端电位。
晶体二极管特性曲线
击穿电压 门限电压
图1-4 晶体二极管伏安特性曲线
曲线分析
（1）正向特性
① 只有当正向电压超过某一数值 时，才有明显的正向电流，这个电压 数值称为“门限电压”或“死区电压 ”用UT 表示。对于硅管UT 为0.6～0.8 伏； 对于锗管UT 为0.2～0.3伏。一般情 况下，从曲线近似直线部分作切线， 切线与横坐标的交点即为UT。 ② 随着电压u的增加，电流i按照 指数的规律增加，当电流较大时，电 流随着电压的增加几乎直线上升。 ③ 不论硅管还是锗管，即使工作 在最大允许电流，管子两端的电压降 一般也不会超过1.5伏，这是晶体二极 管的特殊结构所决定的。
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第1章 常用半导体器件
⑤PN结的电容效应 势垒电容Cb——外加电压改变时，空间电荷区 内的电荷量随之改变所产生的电容效应 正偏电压增大时，空间电荷区变窄，势垒电容增 大；反偏电压增大时，空间电荷区变宽，势垒电 容减小
第1章 常用半导体器件
扩散电容Cd——外加正偏电压改变时，扩散区 的非平衡少子(扩散到对方的多子)数量改变所产生 的电容效应 正偏电压增大时，扩散区非平衡少子数量增大， 电荷释放时间增加，扩散电容增大；反偏时扩散 电容为零
第1章 常用半导体器件
常温下温度每升高1oC，正向电压减小2~2.5mV
du D o (2 ~ 2.5)mV / C dT 正向特性曲线左移
温度每升高10oC，反向饱和电流约增大1倍
I S (T ) 2 IS (T0 )
T T0 10
反向特性曲线下移
第1章 常用半导体器件
iD /mA 80oC 20oC U(BR) Uon uD /V
第1章 常用半导体器件
第1章 常用半导体器件
教学内容和要求 理解半导体基础知识和PN结
理解二极管特性，掌握二极管模型
理解NPN型晶体管工作原理和特性
理解N沟道增强型场效应管工作原理和特性
第1章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识
1、本征半导体 半导体——硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等
0.7V
-
第1章 常用半导体器件
例3，图示电路中△u=100sin(2π×104t )mV，求iD
②PN结的单向导电性 偏置——在半导体器件上所加的直流电压(偏压)和 直流电流(偏流)
PN结相对于P区和N区而言为高阻区，偏置电压几 乎完全作用在PN结内
第1章 常用半导体器件
正向偏置的PN结
正向偏置——电压正极接P区，负极接N区 外电场削弱内电场，破坏动态平衡，扩散的多子 >漂移的少子 多子净扩散→外电路形成正向电流(扩散电流) 正偏电压越大，正向电流越大 对外电路而言，相当于PN结导通
第1章 常用半导体器件
P区一侧出现负离子，N区一侧出现正离子，形成 空间电荷区——N区指向P区的内电场 内电场
－ － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + +
外电场加强内电场，破坏动态平衡，扩散的多子 <漂移的少子 少子净漂移→外电路形成反向电流(漂移电流)
少子数量极少，全部参与漂移，反向饱和电流极 小且与反偏电压大小基本无关
如忽略不计，对外电路而言，相当于PN结截止
第1章 常用半导体器件
外电场 内电场
－ － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + +
n i pi K1T e
o
E 2 GO 3 2 kT
常温(T 300 K)下的本征浓度 — — n i 1.43 1010 cm 3 (硅)，n i 2.38 1013 cm 3 (锗)
第1章 常用半导体器件
2、杂质半导体及其载流子
①N型半导体及其载流子
通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量5价元素 (如磷)形成N型杂质半导体——N型半导体 施主电离——很低温度下， 5价元素有价电子挣脱 束缚产生自由电子 施主电离产生自由电子和不能移动的正离子，不 产生空穴
第1章 常用半导体器件
漂移——电场作用下载流子所产生的定向运动— —空穴沿电场方向漂移，自由电子逆电场方向漂 移
内电场→界面两侧的少子向对方漂移
无外电场作用条件下，扩散的多子与漂移的少子 达到动态平衡→形成 PN结
第1章 常用半导体器件
内电场
－ － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + +
第1章 常用半导体器件
①PN结的形成 扩散——载流子因浓度差而产生的定向运动
载流子浓度差→界面两侧的多子向对方扩散→越 界后被复合
－ － － － － － + + + + + +
－ － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + +
第1章 常用半导体器件
输入信号△u≠0，输入信号△u与偏置U共同作用， 二极管应用电路处于动态
二极管应用电路的动态分析——静态工作点Q附 近的二极管电压uD=UDQ+△uD
△u足够小条件下，静态工作点Q附近二极管特性
线性化，由叠加原理，动态分析=静态分析UDQ+ 小信号分析△uD
第1章 常用半导体器件
本征半导体——纯净(＞7N)且具有完整晶格结构的 半导体
第1章 常用半导体器件
①本征半导体的晶格结构 硅、锗的晶格结构——一个原子位于立方体的中 心，其相邻的四个原子位于立方体的前左上、前 右下、后右上、后左下四个顶点
第1章 常用半导体器件
硅、锗的共价键结构 价电子 +4
+4 电中性的 离子
+4
通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量3价元素 (如硼)形成P型杂质半导体——P型半导体 受主电离——很低温度下， 3价元素的空位由邻近 的价电子填补，产生空穴
受主电离产生空穴和不能移动的负离子，不产生 自由电子
第1章 常用半导体器件
增加一个价电 子的负离子
+4
+4
+3
+4
空穴
+4
第1章 常用半导体器件
uD UT
1)
电路线性部分——负载线
u D u OC R 0i D
第1章 常用半导体器件
例1，图解法估算图示电路的uD和iD 二极管特性曲线 iD
负载线u D 3 300i D
iD/mA
+ 300Ω 3V
uD -
7.6 0.72 uD/V
u D 0.72(V)
i D 7.6(mA )
u /V
第1章 常用半导体器件
④PN结的反向击穿 反向击穿——PN结的反偏电压大到一定值时，反 向电流急剧增大
齐纳击穿——价电子被场致激发，发生于高掺 杂PN结，击穿电压一般在6V以下
雪崩击穿——价电子被碰撞电离，发生于低掺 杂PN结，击穿电压一般在6V以上 只要保证击穿时平均管耗不超过允许值， PN结的 反向击穿为可逆的电击穿
第1章 常用半导体器件
②等效电路法 等效电路(模型)——用线性元件构成的电路来近 似非线性器件特性
二极管的大信号等效电路(模型) iD + R + u uD -
第1章 常用半导体器件
＊理想开关模型
iD/mA
u u u uD/V
第1章 常用半导体器件
iD
+
iD u>0 uD= 0 iD=0
+
uD -
第1章 常用半导体器件
外电场 内电场
－ － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + +
i
第1章 常用半导体器件
反向偏置的PN结 反向偏置——电压正极接N区，负极接P区
静态工作点Q附近(△uD<< UDQ)
△ iD
△ iD
+
△ uD
+ rd
△ uD
-
-
第1章 常用半导体器件
例2，等效电路法估算图示电路的uD和iD iD 二极管用电压源开关模型 uD=Uon= 0.7(V) 300Ω 3V iD 300Ω 3V
+ uD +
3 0.7 iD 0.00767(A) 300 7.67(mA )
P型半导体在一定温度下既有受主电离产生的空 穴，又有本征激发产生的自由电子和空穴 P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是 少数载流子
第1章 常用半导体器件
一定温度下，杂质半导体中载流子的产生与复合 达到动态平衡 平衡状态下多子浓度与少子浓度的乘积等于同一 温度时本征浓度的平方(n0p0=ni2=pi2) 多子浓度越高，少子浓度越低 N型半导体——多子浓度n0 >本征浓度ni=pi>少 子浓度p0
第1章 常用半导体器件
3、二极管的主要参数 最大整流(正向平均)电流IF 最高反向工作电压UR 反向电流IR 最高工作频率fM