第9章 半导体器件
半导体器件基本结构
半导体器件基本结构半导体器件是一种基于半导体材料制造的电子元件，用于控制和调节电流和电压。
它在现代电子设备中起着重要的作用，包括计算机、手机、电视、汽车等。
半导体器件的基本结构主要由半导体材料、金属电极和其他衬底材料构成。
半导体材料是半导体器件的核心部分，主要有硅和锗。
这些材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，即在一定程度上可以导电，但电阻相对较高。
半导体材料的导电性质可以通过杂质掺杂来调节，这种过程可以增加或减少材料中的自由电子和空穴数量。
通过控制杂质的类型和浓度，半导体材料可以具有不同的电性能，如P型半导体和N型半导体。
P型半导体和N型半导体是半导体器件的两种基本类型。
P型半导体是通过杂质掺入三价元素，如硼，将半导体材料中的一些原子替换为杂质原子。
这些杂质原子缺少一个电子，被称为“空穴”。
因此，P型半导体中的电荷移动是由空穴贡献的。
N型半导体是通过杂质掺入五价元素，如磷，将半导体材料中的一些原子替换为杂质原子。
这些杂质原子有一个额外的电子，被称为“自由电子”。
因此，在N型半导体中，电荷移动是由自由电子贡献的。
半导体器件的常见结构包括二极管、三极管和场效应晶体管。
二极管是最简单的半导体器件之一，由P型半导体和N型半导体材料的结合组成。
在二极管中，当正向电压施加在P型半导体一侧时，空穴和自由电子结合，形成一个电流通路，即正向电流。
而在反向电压施加时，两种半导体材料之间形成一个势垒，阻止电流流动，即阻塞反向电流。
三极管是一种基于二极管的三端口装置，通常由两个N型半导体材料和一个P型半导体材料组成。
三极管中的电流被控制通过一个输入电流和一个输出电流进行放大。
当输入电流施加到基极时，它会控制两个PN结之间的电流流动，从而调节输出电流。
这种结构使得三极管成为一种重要的电子放大器和开关。
场效应晶体管（FET）是一种依靠电场调控电流的器件。
它由一个控制电极（栅极）、一个源极和一个漏极组成，通常是由浅的、高掺杂的P型或N型半导体材料制成。
半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版
有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
半导体器件分析课件
微波与毫米波器件
随着无线通信技术的发展，对微波与毫米波器件的需求增加。研究新型微波与毫米波器件 结构、材料和制程技术，提高器件的频率范围、功率容量、效率等性能。
根据能带理论，半导体材料具有特殊的能带结构，其价带和导带之间的间隙称为能 隙，电子需要吸收或释放能量才能从价带跃迁到导带。
能带理论是理解半导体器件工作原理的基础，它解释了为什么半导体材料具有导电 性，以及为什么半导体器件能够在外加电场的作用下控制电流的流动。
半导体器件的输运特性
半导体器件的输运特性是指电子 在半导体材料中的运动规律，包 括电子的扩散、漂移、散射等过
流几乎为零。
实际半导体器件的电流-电压特性会受到温度、材料、工艺等因素的影响， 表现出不同的特性。
半导体器件的频率特性
频率特性是指半导体器件在工作频率下 的性能表现。
频率特性主要受到载流子寿命、迁移率、 了解频率特性对于设计高频或微波频段
结电容等因素的影响。在高频下，半导
的半导体器件具有重要的意义。
体器件的性能会受到散射和寄生效应的
限制，表现出不同的频率响应。
03
CATALOGUE
半导体器件的制造工艺
半导体材料的选择与制备
半导体材料种类
半导体材料制备方法
硅、锗、硒、磷等元素及化合物半导 体材料，具有导电性能可控的特性。
采用物理或化学气相沉积、外延生长 等方法制备单晶或多晶半导体材料。
半导体材料纯度要求
可靠性强化
选择适合特定应用的半 导体材料和介质材料，
以改善器件性能。
模拟电子技术基础(童诗白第四版)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 =10sin ωt (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 = 5sin ωt (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 。
青海大学电工电子半导体器件全解PPT课件
9-2 特殊二极管
一、稳压二极管（齐纳） 二、变容二极管
+
a
k
反向击穿状态
a
k
三、光电子器件
反向截止，利用势垒电容
1. 光电二极管 2. 发光二极管 3. 激光二极管
a
k
反向截止，少子漂移电流
a
k
特殊材料，正向导通发光
第25页/共46页
一、稳压二极管
1、符号及稳压特性
利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳 压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）。
第36页/共46页
非线性失真与线性范围
iC/mA 饱和区
200uA 160uA
非线性失真
Q1
放大区
120uA 80uA
Q
iB =40uA
Q2 0
饱和失真
发射结正偏 集电结正偏
截止失真
发射结反偏
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1、PN结的伏安特性
非线性
iD/mA 1.0
0.5 iD=– IS
陡峭电阻小正 向导通
2、PN结的反向击穿
iD
VBR
O
D
–1.0
–0.5
0
0.5
1.0 D/V
当PN结的反向电压增加到一定数值时，
PN结的伏安特性
反向电流突然快速增加，此现象称为PN结 的反向击穿。
一、BJT的结构简介
1、结构和符号
c
c
2、工作原理
b
b
由结构展开联想…
集电极
Collector c
NPN e PNP e 3、实现条件
《半导体器件》PPT课件
b
+
D1
RL uO
D2
_
输出 波形
1.3.3 限幅电路
+ –
R
D1
D2
++
A Ri
––
工作原理
a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时
电路正常放大
b. 当ui 较大使二极管D1 或D1导通时
+ –
输入电压波形
ui
R
D1
D2
++
A Ri
––
0 t
R
+
D1
D2
++
A Ri
–
––
输出端电压波形
ui
因此，理想二极管正偏时，可视为短路线；反偏 时，可视为开路。
在分析整流，限幅和电平选择时，都可以把二极 管理想化。
1.3 半导体二极管的应用
1.3.1 在整流电路中的应用
整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电
路。
整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不 是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上 称单向脉动性直流电压。
1.2 半导体二极管
二
1.2.1 半导体二极管的结构和类
极
型
外壳
引线 阳极引线
管
铝合金小球
就
是
PN结
一
N型锗片
触丝
个
N型硅
金锑合金
封
底座
装
的
阴极引线
PN
结
点接触型
平面型
半导体二极管的外型和符号
正极
半导体器件的基本概念和应用有哪些
半导体器件的基本概念和应用有哪些一、半导体器件的基本概念1.半导体的定义：半导体是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，常见的有硅、锗、砷化镓等。
2.半导体的导电原理：半导体中的载流子（电子和空穴）在外界条件（如温度、光照、杂质）的影响下，其浓度和移动性会发生变化，从而改变半导体的导电性能。
3.半导体器件的分类：根据半导体器件的工作原理和用途，可分为二极管、三极管、晶闸管、场效应晶体管等。
二、半导体器件的应用1.二极管：用于整流、调制、稳压、开关等电路，如电源整流器、数字逻辑电路、光敏器件等。
2.三极管：作为放大器和开关使用，如音频放大器、数字电路中的逻辑门等。
3.晶闸管：用于可控整流、交流调速、电路控制等，如电力电子设备、灯光调节等。
4.场效应晶体管：主要作为放大器和开关使用，如场效应晶体管放大器、数字逻辑电路等。
5.集成电路：由多个半导体器件组成的微型电子器件，用于实现复杂的电子电路功能，如微处理器、存储器、传感器等。
6.光电器件：利用半导体材料的光电效应，实现光信号与电信号的转换，如太阳能电池、光敏电阻等。
7.半导体存储器：用于存储信息，如随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）等。
8.半导体传感器：将各种物理量（如温度、压力、光照等）转换为电信号，用于检测和控制，如温度传感器、光敏传感器等。
9.半导体通信器件：用于实现无线通信功能，如晶体振荡器、射频放大器等。
10.半导体器件在计算机、通信、家电、工业控制等领域的应用：计算机中的微处理器、内存、显卡等；通信设备中的射频放大器、滤波器等；家电中的集成电路、传感器等；工业控制中的电路控制器、传感器等。
以上就是关于半导体器件的基本概念和应用的详细介绍，希望对您有所帮助。
习题及方法：1.习题：请简述半导体的导电原理。
方法：半导体中的载流子（电子和空穴）在外界条件（如温度、光照、杂质）的影响下，其浓度和移动性会发生变化，从而改变半导体的导电性能。
电子技术基础
图1-1二极管的伏安特性曲线①OA段：死区。
死区电压：硅管为05V，锗管为02V
②AB段：正向导通区。
导通电压：锗管为07V，硅管为03V。
（2）反向特性：
①OC段：反向截止区。
反向截止区的特点：
随反向电压增加，反向电流基本不变，电流值比较小。只有当温度升高时，反向电流才会增加。
（2）求交流放大系数时，取△IB=20μA，△IC=1 mA，则交流放大系数β=△IC/△IB=50。
（3）当基极IB=0时，对应集电极电流即为ICEO的值，根据三极管的输出特性，IB=0的曲线对应的集电极电流IC约为02 mA。
第一章半导体器件的基础知识
第二章二极管应用电路
第三章三极管基本放大电路
第四章负反馈放大器
第五章正弦波振荡器
第六章集成运算放大器
第七章功率放大器
第八章直流稳压电源
第九章晶闸管及应用电路
第十章逻辑门电路
第十一章数字逻辑基础
第十二章组合逻辑电路
第十三章集成触发器
第十四章时序逻辑电路
6 PN结：经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界处就会出现一个特殊的接触面，称为PN结。
7 PN结内电场的方向：由N区指向P区。内电场将阻碍多数载流子的继续扩散，又称为阻档层或耗尽层。
8 PN结的反向击穿是指PN结两端外加的反向电压增加到一定值时，反向电流急剧增大，称为PN结的反向击穿。
半导体器件是各种电子线路的核心，晶体二极管和晶体三极管及场效应管是应用广泛的半导体器件之一，熟悉并掌握这些半导体器件的结构、特性及主要参数是本章的重点。
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若 V阳 ≤ V阴+0.7 ( 反向偏置 )，二极管反向截止。
②等效二极管
a.二极管正向导通
若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零， D 二极管可看作短路。 D + – 硅0.6~0.7V 若二极管是非理想的，则需考虑正向管压降 锗0.2~0.3V 二极管一般可看作电动势为正向导通管压降的恒压源。 +
+
+ ≤ βI B UCE 0
(a)放大
(b)截止
(c)饱和
3. 双极型晶体管的主要参数
当晶体管接成发射极电路时， 1) 电流放大系数 交流电流放大系数 直流电流放大系数 ___ IC Δ IC ΔI IB B 2)集-基极反向截止电流 ICBO
ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流， 受温度的影响大。 温度ICBO 3)集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度 特性较差。
-18V 二极管阴极电位为 8 V， 二极管阳极电位为 ui ， ui > 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui ≤8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui
例 5： R
+ ui
–
VD
VD
3V (a)
+ uo –
+ ui –
R 3V (b)
+ uo –
已知：ui 6sin t V 二极管是理想的，试画出 uo 波形。
二极管电路分析：
①定性分析二极管的工作状态
正向导通
反向截止
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。 理想二极管 （不考虑正向导通管压降，认为正向导通管压降为0） 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管正向导通；
若 V阳 ≤V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管反向截止。 （需考虑正向导通管压降，一般认为正向导通管压降恒定） 非理想二极管 若 V阳 >V阴+0.7 ( 正向偏置 )，二极管正向导通；
例、有两个稳压二极管DZ1、DZ2，其稳定电压分别为5.5V 和8.5V，正向压降均为0.5V。如果要得到0.5V、3V、6V、 9V、14V几种稳定电压，这两个稳压二极管应该如何连接 （加限流电阻），画出相应电路。 R R1 + + + + DZ1 5.5V + – ui ui DZ1 0.5V 8.5V DZ2 + R – 2 3V – – – – （a） （b） R + ui + + D Z1 5.5V – 6V + 0.5V DZ2 – – （ c） + ui R + + D Z2 8.5V – 9V + 0.5V DZ1 – – （d） + ui R + + 8.5V DZ2 – 14V + 5.5V DZ1 – – （ e）
D
–
+ -
b.二极管反向截止 D
E=U导通压降
二极管不论是否理想，反向截止时二极管可看作开路。
+
D
R
例 3：
+ ui
–
VD
8V
+ uo
–
已知：ui 18sin t V 二极管是理想的，试画 出 uo 波形。
uo/V 18V 8V 0
参考点
二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 t/s 关、元件保护、 t / rad 温度补偿等。
图(a)、(b) uo 波形：
u0/V 6V 3V 0
-6V
t/s t / rad
9.3 特殊二极管
1. 稳压二极管
1) 符号 2)伏安特性
DZ
I
+
-
_
DZ
+ UZ
DZ
O
稳压管正常工作 时加反向电压
正向特 性类似 普通二 极管
U
稳压管反向击穿后， _ IZ 反向击 + 电流变化很大，但其 IZ 穿可逆 两端电压变化很小， UZ IZM 利用此特性，稳压管 在电路中可起稳压作 使用时要加限流电阻 用。
晶体管三种工作状态的电压和电流
UBC < 0 + + UBE > 0 IC=β IB + UCE IB = 0 IC IB UBC > 0 + + UBE > 0
IB
UBC < 0
IC 0
U CC RC
UCE UCC
+ UCE UCC + UBE 0 IC RC
12 UCE/V
2.3 2 1.5 1
O
36Leabharlann ③截止区 IB = 0 的曲线以下 发射结处于反向偏置 集电结处于反向偏置 (UBC< 0),此时, IC 0, UCE UCC 。
截止区
3DG100晶体管的输出特性曲线
IC f (UCE ) I
B 常数
当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之 间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管 截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同一个开关 的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大 作用外，还有开关作用。
RC
EC
(2)输出特性
IC/mA
4 3
①放大区
100 µ A
具有恒流特性
饱和区
放 大 区
80µ A 60 µ A 40 µ A 20 µ A IB =0 9
发射结处于正向偏置 集电结处于反向偏置 IC = IB UCE = UCC- ICRC ②饱和区 当 UCE < UBE 时 发射结处于正向偏置 集电结处于正向偏置
2. 伏安特性
特点：非线性 反向击穿 电压U(BR)
I
正向特性
P
+
–
N
硅0.6~0.8V 导通压降 锗0.2~0.3V U +N 死区电压 硅管0.5V 锗管0.1V
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P
–
反向特性
外加正向电压大于 死区电压二极管才能 导通。
外加反向电压大于反 向击穿电压二极管被击 穿，失去单向导电性。
–
–
–
2.双极型晶体管的电流放大作用 和特性曲线
2)三极管放大的外部条件 发射结正偏、集电结反偏 从三个电极电位的角度看： NPN PNP 发射结正偏 VB>VE VB<VE VC<VB 集电结反偏 VC>VB VC>VB>VE VC<VB<VE
B RB EB
C N P N E
RC EC
C
B RB EB P N P E
二极管的单向导电性
1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴 极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正 向电阻较小，正向电流较大。 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴 极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反 向电阻较大，反向电流很小。 3.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反 向电流愈大。 4.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。