第一章 半导体器件
半导体基础知识
G
S 图 P 沟道结型场效应管结构图
S 符号
二、工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电
流 ID 的。
耗尽层
D 漏极
*在栅极和源极之间
加反向电压，耗尽层会变
栅极
G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
S 源极
宽，导电沟道宽度减小， 使沟道本身的电阻值增大， 漏极电流 ID 减小，反之， 漏极 ID 电流将增加。
e
e
图 三极管中的两个 PN 结
c
三极管内部结构要求：
N
b
PP
NN
1. 发射区高掺杂。
2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米，而且掺杂较 少。
3. 集电结面积大。
e
三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。
三极管中载流子运动过程
c
Rc
IB
I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
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
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04
反向饱 和电流
大，即饱和；
反向特性
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
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
第一章 半导体器件知识
第一章《半导体器件的基础知识》一、填空：1、半导体的导电能力随着（掺入杂质）、（光照）、（温度）和（输入电压和电流的改变）条件的不同而发生很大的变化，其中，提高半导体导电能力最有效的办法是（掺入杂质）。
2、（纯净的半导体）叫本征半导体。
3、半导体可分为（P ）型半导体和（N ）型半导体，前者( 空穴)是多子，（电子）是少子。
4、PN结加（正向电压）时导通，加（反向电压）时截止，这种特性称为（单向导电）性。
5、PN结的反向击穿可分为（电）击穿和（热）击穿，当发生（热）击穿时，反向电压撤除后，PN结不能恢复单向导电性。
6、由于管芯结构的不同，二极管可分为（点）接触型、（面）接触型、（平面）接触型三种，其中（点）接触型的二极管PN结面积（小），适宜半导体在高频检波电路和开关电路，也可以作小电流整流，面接触型和平面型二极管PN结接触面（大），载流量（大），适于在（大电流）电路中使用。
7、二极管的两个主要参数是（最大整流电流）和（最高反向电压）使用时不能超过，否则会损坏二极管。
8、在一定的范围内，反向漏电流与反加的反向电压（无关），但随着温度的上升而（上升），反向饱和电流越大，管子的性能就越（差）。
9、硅二极管的死区电压为（0、5）V，锗二极管的死区电压为（0、2）V。
10、三极管起放大作用的外部条件（发射结正偏）和（集电结反偏）11、晶体三极管具有电流放大作用的实质是利用（基极）电流实现对（集电极）电流的控制。
12、3DG8D表示（NPN型硅材料高频小功率三极管）；3AX31E表示（PNP型锗材料低频小功率三极管）。
13、三极管的恒流特性表现在（放大）区，在饱和区，三极管失去（放大）作用，集电结、发射结均（正）偏。
14 集---射击穿电压V（BR）CEO是指（基极开路）时集电极和发射极间所承受的最大反向电压，使用时，集电极电源电压应（＞）这个数值。
15三极管的三种基本联结方式可分为（共基极电路），（共集电极电路）和（共发射极电路）。
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
1.常用半导体器件
第五节 场效应晶体管
N沟道增强型MOS管 N沟道耗尽型MOS管 MOS管的主要参数及使用注意事项
返回
场效应晶体管是用输入回路的电场效应来控 制半导体中的多数载流子，使流过半导体内的电 流大小随电场强弱而变化，形成电压控制其导电 的一种半导体器件。与晶体管相比场效应晶体管 更易于集成。
场效应晶体管有两种: 结型场效应晶体管 绝缘栅型场效应晶体管
发光二极管的发光颜色取决于使用的材料。
发光二极管只能工作在正向偏置状态，工 作 时电路中必须串接限流电阻。
返回
第四节 晶体管
晶体管的基本结构和类型 晶体管的电流分配和放大原理 晶体管的特性曲线 晶体管的主要参数 温度对晶体管特性和参数的影响
返回
一、晶体管的基本结构和类型
集电极
集电结
集电区
基极
基区
返回
例2、已知ui = 6sinωt，UZ =3V，画输出波形。
ui /V
6
ui
VS
3
uo O
ωt
uo
3
O
ωt
返回
例3、图示电路中，稳压管VS1、VS2的稳压值分
别为UZ1＝5V，UZ2＝7V，正向压降为0.7Ｖ，若
输入电压Ui波形如图所示，试画出输出电压波
形。
Ui
R
12V
Ui R
Uo 6V VS1 VS2 －2V
（ NPN： VBC. > VNBP>NVE V C V B V E
PNP： VC<PUNB <PVE）V C V B V E
返回
例2：有三只晶体管，分别为 锗管β＝150， ICBO＝2μA； 硅管β＝100，ICBO＝1μA； 硅管β＝40，ICEO＝41μA；试从β和温度稳定 性选择一只最佳的管子。 解： β 值大，但ICBO也大，温度稳定性较差； β 值较大，ICBO＝1μA，ICEO＝101 μA ； β 值较小，ICEO＝41μA， ICBO＝1μA。 、 ICBO相等，但 的β 较大，故 较好。
半导体器件的基础知识
1.1 半导体二极管
3．半导体二极管的主要参数 ． （1）最大整流电流 IF： ） 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个 数值，否则可能损坏二极管。 数值，否则可能损坏二极管。 （2）最高反向工作电压 VRM ） 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。 使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。
1.2 半导体三极管
输出特性曲线
1.2 半导体三极管
输出特性曲线族可分三个区： 输出特性曲线族可分三个区： （1）截止区 ） 条件：发射结反偏或两端电压为零。 条件：发射结反偏或两端电压为零。 特点： 特点： IB = 0，IC = ICEO 。 ， （2）放大区 ） 条件：发射结正偏，集电结反偏。 条件：发射结正偏，集电结反偏。 特点： 特点： IC 受 IB 控制 ，即 ∆IC = β∆IB 。 在放大状态， 一定时， 变化， 在放大状态，当 IB 一定时，IC 不随 VCE 变化，即放大状态 的三极管具有恒流特性。 的三极管具有恒流特性。 （3）饱和区 ） 条件：发射结和集电结均为正偏。 条件：发射结和集电结均为正偏。 特点： 特点：VCE = VCES。 VCES 称为饱和管压降，小功率硅管约 0.3 V，锗管约为 0.1 V。 称为饱和管压降， ， 。
1.2 半导体三极管
1.2.1 半导体三极管的基本结构与分类
1．结构及符号 ． PNP 型及 NPN 型三极管的内部结构及符号如图所示。 型三极管的内部结构及符号如图所示。 三区： 发射区、 三区 ： 发射区 、 基 集电区。 区、集电区。 三极： 三极 ： 发射极 E、 、 基极 B、集电极 C。 、 两结： 发射结、 两结 ： 发射结 、 集 电结。 电结。 实际上发射极箭头 方向就是发射结正向电 流方向。 流方向。
第一章半导体基础知识
第一章半导体基础知识〖本章主要内容〗本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。
首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。
其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。
然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。
〖本章学时分配〗本章分为4讲，每讲2学时。
第一讲常用半导体器件一、主要内容1、半导体及其导电性能根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。
半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9Ω∙cm。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
2、本征半导体的结构及其导电性能本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。
在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
3、半导体的本征激发与复合现象当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。
当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。
这一现象称为本征激发（也称热激发）。
因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。
游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。
在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。
4、半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。
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24
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 由内电场而产生，使少子 越过PN结流向对方。 N型半导体 二 内电场E 者 产 + + + + + + 生 的 + + + + + + 电 流 + + + + + + 方 向 相 + + + + + + 反 由载流子浓度差而产 生，使多子越过PN结 流向对方。 25
3
主要参考书
1、 《电工学上册－电子技术》秦曾煌主编 高等教育出版社（第5或6版）
2、 《电子技术－典型题解析及自测试题》 史仪凯等编 西北工业大学出版社
3、 《电工学 · 电子技术－导教· 导学· 导考》
朱建坤编
西北工业大学出版社
4
第一章 半导体器件
§ 1.1 半导体的基本知识 § 1.2 PN 结及半导体二极管 § 1.3 特殊二极管 § 1.4 半导体三极管 § 1.5 场效应晶体管
9
硅和锗的共价键结构
+4
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
共价键共 用电子对
+4，每个原子的最外层电 子是八个，构成稳定结构。
+4 +4
+4
+4
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价 键中，称为束缚电子（价电子），常温下束 缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此 本征半导体中的自由电子很少，所以本征半 导体的导电能力非常弱。 11
预祝各位同学 在本门课程的学习中
取得优异成绩!
卢健康老师
jklu@
愿为大家学好本门课程尽心尽力！
1
课程名称：模拟与数字电子技术 教材：电子技术（电工学II ）史仪凯主编
比电工技术难但更有趣
绪论
一、内容 体系：
1、模拟电子技术（教材第1～5章） 重点：第2、4两章
2、数字电子技术（教材第6～9章） 重点：第6、7两章 3、电工电子应用技术（电工学Ⅲ）第6章电力电子技术基
iD
ID
vD
vD rD iD
vD 显然，rD是Q点的动态 电阻。
38
VD
二极管究竟等效为何种元件，取决于 它的外部工作条件---外加的电压，有时还 和频率有关。 当外加电压远高于其导通电压时，二 极管表现为理想开关特性；——？ 当电压远小于导通电压时则二极管表 现为动态电阻，该电阻的阻值随工作电压不 同而改变。
5
§1.1 半导体的基本知识 1.1.1 导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 胶、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些 硫化物、氧化物等。
6
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 具有不同于其它物质的特点。比如：
_ P
－ － －
内电场 外电场
32
1.2.3 半导体二极管 (1)、基本结构 PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
触丝线
点接触型
一般为锗管， 适于高频、小 功率。
引线 外壳
基片
33
PN结
P
N
面接触型
一般为硅管， 适于低频、中、 大功率。
34
(2)、伏安特性
mA
死区电压：硅 管0.6V,锗管 0.1～0.2V。
15
1.1.3 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质—掺杂， 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大大 增加。
使自由电子浓度大大增加的杂质半导体 称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓 度大大增加的杂质半导体称为P型半导体 （空穴半导体）。
16
N型半导体 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， 必定多出一个价电子，这个价电子几乎不受 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 个磷原子给出一个电子，称为施主原子。
20
P型半导体
空穴
+4
+4
+3
+4
硼原子
21
总 结
1、N型半导体中自由电子是多子（其中大部分是
由掺杂提供的，本征半导体中受激产生的自由电子 只占少数） ； 空穴是少子。
2、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。 3、少子的迁移虽然也能形成电流，但由于它 们数量很少，起导电作用的主要是多子。近似 认为多子浓度与杂质浓度相等。
V0
－ － － － － －
P型区
空间电 荷区
N型区
28
请注意
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中的空穴、 N中的电子（都是多子）向对方运动 （扩散运动）。
3、P中的电子和N中的空穴（都是少子）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。
29
1.2.2 PN结的单向导电性 PN结加上正向电压、正向偏臵的意 思都是： P区加正、N区加负电压。
27
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + +
+ + + + + + + + +
扩散运动
电位V
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
PN结加上反向电压、反向偏臵的意 思都是： P区加负、N区加正电压。
30
PN结正向偏臵
变薄 － + + + + 内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流。_
+ P
－ － －
N
外电场
内电场
31
PN结反向偏臵 变厚
－ + + + + 内电场被被加强， 多子的扩散受抑 制。少子漂移加 强，但少子数量 有限，只能形成 + N 较小的反向电流。
*当所加电压的频率较高时则还要考 虑其结电容的影响。 39
二极管的应用 主要是利用它的单向导电性，包括整流、 限幅、保护等。 下面先通过例题简单介绍，以后经常会 在电路中遇到它的各种应用。
40
例：二极管的应用之一：检波 微分电路
ui uR ui R uR RL uo t uo
t
t
41
含二极管电路分析方法：
19
P型半导体
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，硼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。这个空穴很容易吸引邻近价电子来填补， 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，所以称为受主原子。
特点： 1 反向工作 2 反向击穿可逆 3 反向特性曲线陡
顾名思义“稳定电压”？
+ UZ
mA
I
曲线越 陡，电 压越稳 定。
4 反向击穿电压低
U
I
导通压降: 硅 管0.6~0.8V,锗 管0.2~0.3V。
U
反向击穿电 压U(BR)
反向电流特点：
1 随温度上升而快速增长 2 U<U(BR)时其值基本不变
μA
35
(3)、主要参数 （1）最大整流电流 IOM
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正 向平均电流。
（2）反向击穿电压UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流 剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而 烧坏。手册上给出的反向工作峰值电压URWM一般 是UBR的一半。
+4
+4
+4
14
本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子， 即自由电子和空穴。（与金属比？）
自由电子和空穴成对产生与消失（复合） 本征半导体的导电能力取决于载流子的 浓度。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本 征半导体的导电能力越强，温度是影响半导 体性能的一个重要的外部因素，这是半导体 的一大特点。
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
空间电荷区
扩散运动
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 内电场E N型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽，
+ + + + + +
+ + + + + + 内电场就越强，漂移 运动就加强，而漂移 + + + + + + 使空间电荷区变薄。 + + + + + +
扩散运动
26
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 内电场E N型半导体 所以扩散和漂 + + + 移这一对相反 的运动最终达 + + + 到动态平衡， + + + 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。