第1章半导体器件
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第1章—02-半导体二极管-sw
六、发光二极管 发光二极管
将电能转换成光能的特殊半导体器件。 1.定义：将电能转换成光能的特殊半导体器件。 定义： 2.类型 类型 普通发光二极管 红外发光二极管 …… 直流驱动电路 交流驱动电路
3.常用驱动电路： 常用驱动电路：
4.工作原理： 管子加正向电压时 在正向电流激发下， 4.工作原理：当管子加正向电压时，在正向电流激发下， 工作原理 管子发光，属电致发光。 管子发光，属电致发光。 注意：发光二极管在加正向电压时才发光。 注意：发光二极管在加正向电压时才发光。
模拟电子技术基础 第1章 常用半导体器件
电子系 2010年9月 Electronic Department Sep. 2010
第一章 常用半导体器件
1.1、半导体的基础知识 1.1、 1.2、半导体二极管 1.2、 1.3、 1.3、晶体三极管 1.4、 1.4、场效应管
1.2 半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管 六、发光二极管 七、光电二极管 八、其他二极管 九、二极管的应用
ui=0时直流电源作用 时直流电源作用
∆u D U T 根据电流方程，rd = ≈ ∆iD ID
小信号作用 Q越高，rd越小。 越高， 越小。 越高 静态电流
四、二极管的主要参数
• • • • 最大整流电流I 最大整流电流 F：最大平均值 最大反向工作电压U 最大反向工作电压 R：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率f 最高工作频率 M：因PN结有电容效应 结有电容效应 结电容为扩散电容（ 与势垒电容（ 之和。 结电容为扩散电容（Cd）与势垒电容（Cb）之和。
uL
+
第一章半导体器件的特性讲解
第一章 半导体器件的 特性
主要内容及要求
1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 二极管 1.4 双极型晶体管（BJT） 1.5 场效应管（FET）
基础，必须掌握： 基本概念，原理， 特征曲线、参数， 应用等。
了解原理，掌握特 征曲线、参数。
1.1 半导体的导电特性
半导体材料：
物质根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分 导体、绝缘体和半导体。 －4 导 体：ρ<10 Ω·cm 9 绝缘体：ρ>10 Ω·cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有 化合物半导体砷化镓GaAs等。
1.5 场效应管
二、工作原理
VDS=0时， VGS 对沟道的控制作用
当VGS＜0时， PN结反偏，| VGS | 耗尽层加厚沟道变窄。 VGS继续 减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时， 对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 对于N沟道的JFET，VP <0。 若在漏源极间加上适当电压，沟道中有 电流ID流过。 VGS＝0时，ID较大； VGS＝VGS(off)时，ID近似为零， 这时管子截止。
1.5 场效应管
特点：
利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体 中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高 （107~1012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功 耗小。
分类：
1.5 场效应管
1.5.1结型场效应管 一、结构
N沟道结型场效应管结构示意图
N沟道管符号
P沟道管符号
晶体管结构示意图
晶体管符号
1.4 双极型晶体管
生成类型：合金型和平面型
要实现电流放大作用，要求： 发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大。
主要内容及要求
1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 二极管 1.4 双极型晶体管（BJT） 1.5 场效应管（FET）
基础，必须掌握： 基本概念，原理， 特征曲线、参数， 应用等。
了解原理，掌握特 征曲线、参数。
1.1 半导体的导电特性
半导体材料：
物质根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分 导体、绝缘体和半导体。 －4 导 体：ρ<10 Ω·cm 9 绝缘体：ρ>10 Ω·cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有 化合物半导体砷化镓GaAs等。
1.5 场效应管
二、工作原理
VDS=0时， VGS 对沟道的控制作用
当VGS＜0时， PN结反偏，| VGS | 耗尽层加厚沟道变窄。 VGS继续 减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时， 对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 对于N沟道的JFET，VP <0。 若在漏源极间加上适当电压，沟道中有 电流ID流过。 VGS＝0时，ID较大； VGS＝VGS(off)时，ID近似为零， 这时管子截止。
1.5 场效应管
特点：
利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体 中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高 （107~1012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功 耗小。
分类：
1.5 场效应管
1.5.1结型场效应管 一、结构
N沟道结型场效应管结构示意图
N沟道管符号
P沟道管符号
晶体管结构示意图
晶体管符号
1.4 双极型晶体管
生成类型：合金型和平面型
要实现电流放大作用，要求： 发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大。
半导体基础知识
第一章、半导体器件
1、为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？
制成本征半导体是为了讲自然界中的半导体材料进行提纯，然后人工掺杂，通过控制掺杂的浓度就可以控制半导体的导电性，以达到人们的需求
2、为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？
导致半导体性能温度稳定性差的主要原因有二：β
（1）禁带宽度与温度有关（一般，随着温度的升高而变窄）；（2）少数载流子浓度与温度有关（随着温度的升高而指数式增加）。
多子。
3、为什么半导体器件有最高工作频率？
这是因为半导体器件的主要组成单元是PN结，PN结的显著特征是单向导电性，因为PN结的反向截止区是由耗尽层变宽导致截止，而这个过程是需要一定的时间的，如果频率太高导致时间周期小于截止时间就可能造成PN结失去单向导电性，导致半导体器件不能正常工作，所以半导体器件有最高工作频率的限制。
4、整流，是指将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这正变换的功率流向是由电源传向负载，称之为整流。
5、为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？
虽然集电结是反偏的，虽然基极是开路的，但是，晶体管芯，是块半导体材料。
半导体材料，又不是绝缘体，加上电压，就有微弱的电流，这很正常。
从集电区向基区出现的“反向饱和电流Icbo”，在基极没有出路，就流向发射极了。
这一流动，就形成了一个Ib。
这个Ib，就引出了一个贝塔倍的Ic; 这个Ib和Ic之和，就是穿透电流Iceo，等于(1+贝塔)Icbo。
6、
展开。
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
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
精品文档-模拟电子技术(江晓安)(第三版)-第1章
第一章 半导体器件
图 1 – 5 P型半导体的共价键结构
第一章 半导体器件
1.２ＰＮ 结
1.2.1 异型半导体接触现象 在Ｐ型和Ｎ型半导体的交界面两侧, 由于电子和空穴的
浓度相差悬殊, 因而将产生扩散运动。 电子由Ｎ区向Ｐ区扩 散； 空穴由Ｐ区向Ｎ区扩散。 由于它们均是带电粒子(离 子), 因而电子由Ｎ区向Ｐ区扩散的同时, 在交界面Ｎ区剩下 不能移动(不参与导电)的带正电的杂质离子； 空穴由Ｐ区向 Ｎ区扩散的同时, 在交界面Ｐ区剩下不能移动(不参与导电) 的带负电的杂质离子, 于是形成了空间电荷区。 在Ｐ区和Ｎ 区的交界处形成了电场(称为自建场)。 在此电场 作用下, 载流子将作漂移运, 其运动方向正好与扩散运动方 向相反, 阻止扩散运动。 电荷扩散得越多, 电场越强, 因而 漂移运动越强, 对扩散的阻力越大。 当达到平衡时, 扩散运 动的作用与漂移运动的作用相等, 通过界面的载流子总数为 ０, 即ＰＮ结的电流为０。 此时在ＰＮ区交界处形成一个缺 少载流子的高阻区, 我们称为阻挡层(又称为耗尽层)。 上述 过程如图１－６(ａ)、 (ｂ)所示。
所谓“齐纳”击穿, 是指当ＰＮ结两边掺入高浓度的杂 质时, 其阻挡层宽度很小, 即使外加反向电压不太高(一般为 几伏), 在ＰＮ结内就可形成很强的电场(可达2×106 V/cm), 将共价键的价电子直接拉出来, 产生电子-空穴对, 使反向电 流急剧增加, 出现击穿现象。
第一章 半导体器件
对硅材料的ＰＮ结, 击穿电压ＵＢ大于７V时通常是 雪崩击穿, 小于４V时通常是齐纳击穿；ＵＢ在４V和７V之间 时两种击穿均有。由于击穿破坏了ＰＮ结的单向导电特性, 因而一般使用时应避免出现击穿现象。
CT
dQ dU
S W
第一章 半导体器件
半导体器件基础
对于PNP型三极管，其外部电压源极性相反，注入载流子为空穴，
实际电流方向相反，分析方法相同。
1.3 双极型三极管
1.3.3 双极型三极管的特性曲线和工作状态
三极管的特性曲线是指三极管各电极之间电压和电流的关系 曲线。它直观地表达了三极管内部的物理变化规律，描述了三极 管的外特性。下面以共发射极电路为例，讨论双极型三极管的输 入、输出特性曲线，测试电路如图1.3.3所示。。
1.1 PN结
1.1.3 PN结的单向导电性
1
PN结的正向偏置
1.1 PN结
1.1.3 PN结的单向导电性
2
PN结的反向偏置
1.1 PN结
1.1.3 PN结的单向导电性
3
PN结的伏安特性曲线
1.2 半导体二极管
1.2.1 二极管的结构
半导体二极管按其结构可分为点接触型和面接触型两种。点接触型二 极管（一般为锗管）由于其PN结的面积很小，因此结电容小，允许通过的 电流也小，适用于高频电路检波或小电流整流，也可用作数字电路中的开关 元件。面接触型二极管（一般为硅管）由于其PN结的面积大，结电容大， 允许通过的电流较大，适用于低频整流；对于硅平面型二极管，结面积大的 可用于大功率整流，结面积小的适用于脉冲数字电路的开关管。
1.2 半导体二极管
例1.2.2判断图1.2.7所示电路 中哪个二极电路中其阳极电位是相 同的。因此，两二极管中阴极电 位最低的那只导通。 显然VD2导 通，并使AO两端电压钳位于-6 V， 即UAO=-6 V。VD1上加的是-6 V， 所以VD1截止，VD1起隔离作用。
（1）N型半导体。在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的五价 元素磷（P），如图1.1.4所示。
（2）P型半导体。若在本征半导体硅中掺入微量的三价元素硼 （B），如图1.1.5所示。
半导体器件的基本知识
1.4.2 光敏二极管
a) 光敏二极管伏安特性曲线
b) 光敏二极管图形符号
图1-17 光敏二极管伏安特性曲线及图形符号
1.4.3 发光二极管
发光二极管简写为LED，其工作原理与光电二极管相反。 由于它采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制成，所以在通 过正向电流时，由于电子与空穴的直接复合而发出光来。
a) 发光二极管图形符号
b) 发光二极管工作电路
图1-18 发光二极管的图形符号及其工作电路
1.5 双极型晶体管
• 双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor， BJT），简称晶体管，它是通过一定的工艺 将两个PN结结合在一起的器件。由于PN结 之间相互影响，BJT表现出不同于单个PN 结的特性，具有电流放大作用，使PN结的 应用发生了质的飞跃。
1．输入特性曲线 UCE=0V的输入特性曲线类似二极管正向于特性曲线。UCE≥1V时，集电极 已反向偏置，而基区又很薄，可以把从发射极扩散到基区的电子中的绝大 部分拉入集电区。此后，UCE对IB就不再有明显的影响，其特性曲线会向 右稍微移动，但UCE再增加时，曲线右移很不明显，就是说UCE≥1V后的 输入特性曲线基本是重合的。所以，通常只画出UCE≥1V的一条输入特性 曲线。
PN结的两端外加不同极性的电压时，PN结呈现截然 不同的导电性能。
1．PN结外加正向电压
当外加电压V，正极接P区，负极接N区时，称PN结外加正 向电压或PN结正向偏置(简称正偏)。外加正向电压后，外 电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。 外电场促使N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正 空间电荷，P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间 电荷，整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子 的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流）。在 一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，PN结呈现出一 个阻值很小的电阻，称为PN结正向导通。
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半导体二极管又称晶体二极管。
二极管的结构： 将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。
(a)外形图
(b)符号
图 1.2.4 二极管的外形和符号
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17
半导体二极管的类型：
平面型二极
按半导体材料分：有硅二极管、锗二管极的管P等N 。结接
(a)硅的原子结构图
惯性核
+4
3．半导体导电性能是由 其原子结构决定的。
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价电子
(b)简化模型
图 1.1.1 硅原子结构及半导体 原子简化模型
4
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导
体称为本征半导体。
将硅或锗材
料提纯便形成单
共
晶体，它的原子
价 键
结构为共价键结
2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体， 因而其导电能力大大改善。
3. 杂质半导体总体上保持电中性。
4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
杂质半导体的的简化表示法
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9
小结:
电子电路中常用的半导体器件有二极管、稳压管、双极型 三极管和场效应管等。制造这些器件的主要材料是半导体， 例如硅和锗等。
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26
1.2.3 二极管的主要参数
1. 最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。
2. 最高反向工作电压 UR 工作时允许加在二极管两端的反
向电压值。通常将击穿电压 UBR 的一 半定义为 UR 。
3. 反向电流 IR 通常希望 IR 值愈小愈好。 4. 最高工作频率 fM fM 值主要决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二 极管允许的最高工作频率愈低。
自由电子 空穴
复合 电子-空穴对 消失
动态平衡
本征半导体载流子浓度低，且 ni= pi ，导电能力很微弱。
载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。
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6
1.1.2 杂质半导体
1. N 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入 少量的 5 价杂质元素，如磷、 锑、砷等，即构成 N 型半导 体(或称电子型半导体)。
第1章 半导体器件
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1
基本教学要求 1.1 半导体的特性 1.2 半导体二极管 1.3 双极型三极管 1.4 场效应管 本章小结 自我检测
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2
基本教学要求
1.了解导体中的两种载流子，了解N型半导体和P型 半导体以及PN结的形成。
2.理解PN结的单向导电性，掌握半导体二极管的伏 安特性及主要参数，掌握稳压二极管的伏安特性 及主要参数。
当正向电压超过死区电压后，随 着电压的升高，正向电流迅速增大。
I / mA
60
40 死区 20 电压
导通电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，
称为二极管的导通电压UF。通常，硅管的导通电压约为 0.6 ～ 0.8V ， 一 般 取 为 0.7V ； 锗 管 的 导 通 电 压 约 为 0.1 ～
点接触型
面结型
整流二极管 型号：2CZ
符号：
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平面型
19
二极管的伏安特性
在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，
I = f (U )之间的关系曲线。
I / mA
I / mA
60
40
正向特性
20
–50 –25
反 向
0 0.5 1.0 U / V 击穿电–压0.002
特 性
构。
当温度 T = 0 K 时，半 导体不导电，如同绝缘体。
+4
+4
+4
价
电
子
+4
+4
+4
+4
+4
+4
图 1.1.2 晶体中的共价键结构
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5
+4
+4
+4
点此观看动画101：本征激发
空穴
+4
+4
自由电子 +4
图 1.1.3 本征半导体中的 自由电子和空穴
T3;4
T
半导体 本征激发 原子
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图1.2.2 PN结正偏时导通 14
2. PN 结外加反向电压(反偏)
PN 结反向偏置
→外电场增强内电场，
阻挡层变宽
→多子扩散减弱，少子漂移 增强： I扩散< I漂移
→ 极 小 的 反 向 饱 和 电 流 IS （因为是由少子漂移形 成），基本上不随外加电 压变化，但对温度十分敏 感，随着温度升高， IS 将急剧增大。
在常温(300 K)下，
UT 26 mV
二极管加反向电压，即 U < 0，且 |U| >> UT ，则 I IS。
二极管加正向电压，即 U > 0，且 U >> UT ，则
U
U
e UT 1 ，可得 I ISe UT ，说明电流 I 与电压 U
基本上成指数关系。
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0.3V，一般取为0.2V。
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21
2. 反向特性
二极管加反向电压，反向 电流很小；
当电压超过零点几伏后， 反向电流不随电压增加而增大， 即饱和；
I / mA
–50 –25
0U / V
反向饱 – 0.02 和电流
击穿 – 0.04 电压
U(BR)
反向特性
如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会 突然增大；这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压UBR。
半导体中存在两种载流子：电子和空穴。纯净的半导体称 为本征半导体，它的导电能力很差。搀有少数其他元素的 半导体称为杂质半导体。杂质半导体分为两种：N型半导 体——多数载流子是电子；P型半导体——多数载流子是 空穴。当把P型半导体和N型半导体结合在一起时，在二 者的交界处形成一个PN结，这是制造各种半导体器件的 基础。
图1.2.3 PN结反偏时截止
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15
综上所述： 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的 正向电流， PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置 时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处 于截止状态。 可见， PN 结具有单向导电性。
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16
1.2.2 二极管的伏安特性
答：用万用表测出的二极管电阻值是它的直流电阻。由于 二极管是非线性元件，它的电压和电流不成正比，所以通 过管子的电流也不同，测出的直流电阻也不同。当用Ω× １档测量时，由于万用表的内阻小，通过二极管的电流大， 管子工作在Q1点处,所以直流电阻 (VD1/ID1) 小。当用 Ω×100档测量时,万用表内阻大,通过二极管的电流小,管子 工作在点Q2 处,所以直流电阻(VD2/ID2)大。
3.理解半导体三极管的放大作用，掌握半导体三极 管的输入、输出特性及主要参数。
4.理解场效应管的工作原理，掌握场效应管的输出 特性、转移特性及主要参数。
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3
1.1 半导体的特性 价电子
1．半导体是导电能力介于 导体和绝缘体之间的物质。 半导体具有热敏性、光敏 性、掺杂性。
2．硅和锗是常用的半导体 材料，原子序号分别为14 和32，它们都是四价元素。
图1.1.4 N型半导体
5 价 杂 施主电离 自由电子
质原子
正离子
半导体 本征激发 自由电子
原子
空穴
自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 电子——多子，空穴——少子 在相同温度下，有np=ni pi N型半导体总体保持电中性
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7
2. P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少 量的 3 价杂质元素，如硼、镓、 铟等，即构成 P 型半导体(或 称空穴型半导体)。
1. PN 结中载流子的运动
载流子浓度差
P
多子扩散、复合
形成空间电荷区，产 生内电场（电位壁垒 UD ）
阻止多子扩散 —阻挡层，
P
有利于少子漂移
动态 平衡
I扩散= I漂移， I总=0， 稳定的空间电荷区， 即PN结
电位壁垒 UD
硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V 锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V
击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端 电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。
击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后， 还可恢复正常。
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3. 伏安特性表达式（二极管方程）
U
I IS (e UT 1)
IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量
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2. PN 结的单向导电性
点此观看动画1-03：PN结的单向导电性
(1) PN 外加正向电压（又称正向偏置，简称正偏）
PN 结正向偏置 →外电场削弱内电场，
阻挡层变薄
→多子扩散增强，少子漂移 减弱： I扩散>> I漂移
→较大的正向电流I（因为是 由多子扩散形成），外加 正压对正向电流有很大的 控制作用。
图1.1.5 P型半导体
3 价 杂 受主电离 空穴
质原子
负离子
半导体 本征激发 自由电子
原子
空穴
空穴浓度远大于自由电子的浓度，即 p >> n 空穴——多子，电子——少子 在相同温度下，有np=ni pi P型半导体总体保持电中性
二极管的结构： 将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。
(a)外形图
(b)符号
图 1.2.4 二极管的外形和符号
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半导体二极管的类型：
平面型二极
按半导体材料分：有硅二极管、锗二管极的管P等N 。结接
(a)硅的原子结构图
惯性核
+4
3．半导体导电性能是由 其原子结构决定的。
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价电子
(b)简化模型
图 1.1.1 硅原子结构及半导体 原子简化模型
4
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导
体称为本征半导体。
将硅或锗材
料提纯便形成单
共
晶体，它的原子
价 键
结构为共价键结
2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体， 因而其导电能力大大改善。
3. 杂质半导体总体上保持电中性。
4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
杂质半导体的的简化表示法
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小结:
电子电路中常用的半导体器件有二极管、稳压管、双极型 三极管和场效应管等。制造这些器件的主要材料是半导体， 例如硅和锗等。
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1.2.3 二极管的主要参数
1. 最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。
2. 最高反向工作电压 UR 工作时允许加在二极管两端的反
向电压值。通常将击穿电压 UBR 的一 半定义为 UR 。
3. 反向电流 IR 通常希望 IR 值愈小愈好。 4. 最高工作频率 fM fM 值主要决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二 极管允许的最高工作频率愈低。
自由电子 空穴
复合 电子-空穴对 消失
动态平衡
本征半导体载流子浓度低，且 ni= pi ，导电能力很微弱。
载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。
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1.1.2 杂质半导体
1. N 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入 少量的 5 价杂质元素，如磷、 锑、砷等，即构成 N 型半导 体(或称电子型半导体)。
第1章 半导体器件
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基本教学要求 1.1 半导体的特性 1.2 半导体二极管 1.3 双极型三极管 1.4 场效应管 本章小结 自我检测
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基本教学要求
1.了解导体中的两种载流子，了解N型半导体和P型 半导体以及PN结的形成。
2.理解PN结的单向导电性，掌握半导体二极管的伏 安特性及主要参数，掌握稳压二极管的伏安特性 及主要参数。
当正向电压超过死区电压后，随 着电压的升高，正向电流迅速增大。
I / mA
60
40 死区 20 电压
导通电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，
称为二极管的导通电压UF。通常，硅管的导通电压约为 0.6 ～ 0.8V ， 一 般 取 为 0.7V ； 锗 管 的 导 通 电 压 约 为 0.1 ～
点接触型
面结型
整流二极管 型号：2CZ
符号：
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平面型
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二极管的伏安特性
在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，
I = f (U )之间的关系曲线。
I / mA
I / mA
60
40
正向特性
20
–50 –25
反 向
0 0.5 1.0 U / V 击穿电–压0.002
特 性
构。
当温度 T = 0 K 时，半 导体不导电，如同绝缘体。
+4
+4
+4
价
电
子
+4
+4
+4
+4
+4
+4
图 1.1.2 晶体中的共价键结构
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5
+4
+4
+4
点此观看动画101：本征激发
空穴
+4
+4
自由电子 +4
图 1.1.3 本征半导体中的 自由电子和空穴
T3;4
T
半导体 本征激发 原子
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图1.2.2 PN结正偏时导通 14
2. PN 结外加反向电压(反偏)
PN 结反向偏置
→外电场增强内电场，
阻挡层变宽
→多子扩散减弱，少子漂移 增强： I扩散< I漂移
→ 极 小 的 反 向 饱 和 电 流 IS （因为是由少子漂移形 成），基本上不随外加电 压变化，但对温度十分敏 感，随着温度升高， IS 将急剧增大。
在常温(300 K)下，
UT 26 mV
二极管加反向电压，即 U < 0，且 |U| >> UT ，则 I IS。
二极管加正向电压，即 U > 0，且 U >> UT ，则
U
U
e UT 1 ，可得 I ISe UT ，说明电流 I 与电压 U
基本上成指数关系。
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0.3V，一般取为0.2V。
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2. 反向特性
二极管加反向电压，反向 电流很小；
当电压超过零点几伏后， 反向电流不随电压增加而增大， 即饱和；
I / mA
–50 –25
0U / V
反向饱 – 0.02 和电流
击穿 – 0.04 电压
U(BR)
反向特性
如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会 突然增大；这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压UBR。
半导体中存在两种载流子：电子和空穴。纯净的半导体称 为本征半导体，它的导电能力很差。搀有少数其他元素的 半导体称为杂质半导体。杂质半导体分为两种：N型半导 体——多数载流子是电子；P型半导体——多数载流子是 空穴。当把P型半导体和N型半导体结合在一起时，在二 者的交界处形成一个PN结，这是制造各种半导体器件的 基础。
图1.2.3 PN结反偏时截止
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综上所述： 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的 正向电流， PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置 时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处 于截止状态。 可见， PN 结具有单向导电性。
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1.2.2 二极管的伏安特性
答：用万用表测出的二极管电阻值是它的直流电阻。由于 二极管是非线性元件，它的电压和电流不成正比，所以通 过管子的电流也不同，测出的直流电阻也不同。当用Ω× １档测量时，由于万用表的内阻小，通过二极管的电流大， 管子工作在Q1点处,所以直流电阻 (VD1/ID1) 小。当用 Ω×100档测量时,万用表内阻大,通过二极管的电流小,管子 工作在点Q2 处,所以直流电阻(VD2/ID2)大。
3.理解半导体三极管的放大作用，掌握半导体三极 管的输入、输出特性及主要参数。
4.理解场效应管的工作原理，掌握场效应管的输出 特性、转移特性及主要参数。
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1.1 半导体的特性 价电子
1．半导体是导电能力介于 导体和绝缘体之间的物质。 半导体具有热敏性、光敏 性、掺杂性。
2．硅和锗是常用的半导体 材料，原子序号分别为14 和32，它们都是四价元素。
图1.1.4 N型半导体
5 价 杂 施主电离 自由电子
质原子
正离子
半导体 本征激发 自由电子
原子
空穴
自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 电子——多子，空穴——少子 在相同温度下，有np=ni pi N型半导体总体保持电中性
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2. P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少 量的 3 价杂质元素，如硼、镓、 铟等，即构成 P 型半导体(或 称空穴型半导体)。
1. PN 结中载流子的运动
载流子浓度差
P
多子扩散、复合
形成空间电荷区，产 生内电场（电位壁垒 UD ）
阻止多子扩散 —阻挡层，
P
有利于少子漂移
动态 平衡
I扩散= I漂移， I总=0， 稳定的空间电荷区， 即PN结
电位壁垒 UD
硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V 锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V
击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端 电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。
击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后， 还可恢复正常。
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3. 伏安特性表达式（二极管方程）
U
I IS (e UT 1)
IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量
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2. PN 结的单向导电性
点此观看动画1-03：PN结的单向导电性
(1) PN 外加正向电压（又称正向偏置，简称正偏）
PN 结正向偏置 →外电场削弱内电场，
阻挡层变薄
→多子扩散增强，少子漂移 减弱： I扩散>> I漂移
→较大的正向电流I（因为是 由多子扩散形成），外加 正压对正向电流有很大的 控制作用。
图1.1.5 P型半导体
3 价 杂 受主电离 空穴
质原子
负离子
半导体 本征激发 自由电子
原子
空穴
空穴浓度远大于自由电子的浓度，即 p >> n 空穴——多子，电子——少子 在相同温度下，有np=ni pi P型半导体总体保持电中性