第1章常用半导体器件
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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(1)
(a)
空间电荷区
N区
移到P型区的空穴填补了原来交界
面上P型区所失去的空穴， 从P型区
漂移到N型区的自由电子填补了原 来交界面上N型区所失去的自由电 子，漂移运动的结果是使空间电荷
内电场 Uho
区变窄。空间电荷区称为阻挡层。
第第1章1章常晶用体半二导极体管器与件三极管
1． PN结的形成
当多子的扩散运动和少子 的漂移运动达到动态平衡时，空 间电荷区的宽度一定，PN结电 流为零。在动态平衡时，由内电 场产生的电位差称为内建电位差 Uho, 如图（b）所示。处于室温 时 ， 锗 的 Uho≈0.2~0.3 V ， 硅 的 Uho≈0.5~0.7 V。
多子扩散运动使空间电荷区加宽。
第第1章1章常晶用体半二导极体管器与件三极管
1． PN结的形成
空穴 负离子 正离子 自由电子
内电场：在空间电荷区里，由带正 P区
N区
电的N型区指向带负电的P型区的电 场。 内电场阻止多子的扩散运动、
内电场推动少数载流子产生漂移运 动（载流子从浓度低的区域向浓度 高的区域的运动。） 。从N型区漂 P 区
第第1章1章常晶用体半二导极体管器与件三极管
2. P型半导体
因三价杂质原子 在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电 子而在共价键中留下 一个空穴。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。 三价杂质 因而也称为受主原子。
在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂 形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。
第第1章1章常晶用体半二导极体管器与件三极管
第1章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 半导体场效应管
常用半导体器件
流的限流电阻！
稳压二极管的应用
稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA， Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻 R=200 ，求iZ。
若负载电阻变化范围为1.5 k -- 4 k ，是否还能稳 压？
i
iL
R ui DZ
iz UZ RL uO
i
工作原理： 无光照时，与普通二极管一样。
有光照时，分布在第三、四象限。
三、变容二极管 四、隧道二极管 五、肖特基二极管
• 作业 • 1.3 1.4 1.6 1.7
§1.3 晶体三极管
一、晶体管的结构和符号 二、晶体管的放大原理 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
PN结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。
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
U(BR–) 0.004
性
图 1.1.8 PN结的伏安特性
反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿
四、PN结的电容效应
当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量 将随之发生变化，使PN结具有电容效应。
ui和uo的波形如图所示
u o /V
10
t
O
讨论：解决两个问题
• 如何判断二极管的工作状态？ • 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？
对V和Ui二极管的模 型有什么不同与uD可比，则需图解： ID 实测特性
Q
uD=V－iR
UD
五、稳压二极管
限流电阻
模电1常用半导体器件
ICEO = (1+β) ICBO
三. 极限参数
1. 集电极最大允许电流ICM 2. 集电极最大允许功耗PCM 3. 反向击穿电压U(BR)CEO 、U(BR)CBO
α=β/(1+β)
三极管的安全工作区
1 .4 场效应管（Field Effect Transistor ）
场效应管是单极性管子，其输入PN结处于反偏或 绝缘状态，具有很高的输入电阻（这一点与三极管相 反），同时，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射性 强、便于集成等优点。
1 .3 .5 共射NPN三极管伏安特性曲线
二. 输出特性曲线 IC=f ( IB ，UCE )
实际测试时如下进行：
IC= f ( UCE )|IB
发射结正偏、集电结反 偏时，三极管工作在放大 区(处于放大状态)，有放 大作用：IC =βIB + ICEO
两结均反偏时，三极管 工作在截至区(处于截止状 态) ，无放大作用。 IE=IC=ICEO≈0
第五章 负反馈放大器
第六章 信号运算电路
第七章 波形发生电路
第八章 功率放大电路 第九章 直流电源
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第一章 常用半导体器件
本章主要内容：
半导体材料、由半导体构成的PN 结、二极管结构特性、三极管结构特性及 场效应管结构特性。
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1 .1 半导体（Semiconductor）基本知识
• 2、《电子技术实验》.石焕玉等编. • 3、《电子技术基础》(模拟部分).康华光
主编. 高等教育出版社 • 4、《模拟电子技术基础》华成英(第四
版)习题解答（因网络不通，暂时没法放 在系网页上，需要者来复制）
第一章 半导体器件 第二章 基本放大电路 第三章 放大电路的频率特性 第四章 集成运算放大器
第1章-半导体器件基础
3. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大，说明管子的单向导电性 差，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小，锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
二、P 型半导体
ui
ui
RL
uo
t
uo t
二极管的应用举例2： ui
ui
R
uR RL
uR
t
uo t
uo
t
1.2.5 稳压二极管
-
曲线越陡， I
电压越稳
定。
+
UZ
稳压
动态电阻： 误差
r U Z
Z
I Z
rz越小，稳 压性能越好。
UZ
IZ
U IZ IZmax
稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 UZ
（2）电压温度系数U（%/℃）
基区空穴
向发射区
的扩散可
忽略。
B
进 少入部P分区与R的基B 电区子的
空穴复合，形成
电流IBEE，B 多数
扩散到集电结。
C
N
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
返回
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
返回
(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）
第第11章章常用半导体器件常用半...
模
拟 电
ＰＮ结正偏 ⇒ 内电场削弱 ⇒
耗尽层变窄⇒
子
技
术
基 础
多子扩散 > 少子漂移 ⇒ 正向电流大，反向电流小
外加正向电场：促使扩散，阻止漂移。
第1章 常用半导体器件
(2)、PN结加反向电压时的导电情况
1.1 概述
外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电
模 拟
场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。
3、本征半导体导电能力较弱。
空 穴：
a: 空穴带正电量； b：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，
与电子电量相等，符号相反； c：在外电场作用下电子、空穴运动方向相反，两
者对电流的贡献是迭加的。
第1章 常用半导体器件
1.1 概述
1.1.2 杂质半导体
为什么要掺
模 杂质半导体：人为掺入杂质的半导体。
子
扩散电容远小于势垒电容
技
术 基
• 低频工作时，PN结的结电容的容抗大，可视为开路。
础
低频可不考虑结电容的影响；
图二极管高频等效道路
• 高频工作时，因容抗变小，结电容将旁路PN结的等效电 阻，使PN结的单向导电性变差。
高频时必须考虑结电容的影响；
频率越高，结电容 效应越明显。
高频电路中应使用结电容小的二极管。
第1章 常用半导体器件
2、电子空穴对
1.1 概述
当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。
模 拟
当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的
电 价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由
子 技
电子。
术 基
这一现象称为本征激发，也称热激发。
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压时处于截止P状态
流 Is
耗尽层
区变宽
N
(反偏)
IS
内电场方向由于少数不载利流于子扩浓散运动，
外电场方向度很低，反有向利电于流漂移运动
V
R 数值非常小
图 1.1.7 PN 结加反相电压时截止
反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，
随着温度升高， IS 将急剧增大。
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。
5 价杂质原子称为施主原子。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
+4
图 1.1.3 N 型半导体
二、 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。
+4
+4
+4
空穴
+4
+34 受主 +4
原子
+4
+4
+4
图 1.1.4 P 型半导体
3 价杂质原子称为 受主原子。
➢ 发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。当PN结反向击 穿时, 只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻 Ｒ实现), 不使其过大, 以免因过热而烧坏ＰＮ结, 当反向 电压(绝对值)降低时, PN结的性能就可以恢复正常。
➢ 稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现稳 压的, 当流过ＰＮ结的电流变化时, 结电压保持ＵＢ基本 不变。（将在1.2.5中详细介绍）
第一章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识
1.2 半导体二极管
1.3 双极型晶体管
第
1.4 场效应管
四 1.5 单结晶体管和晶闸管
版 童
1.7Multisim应用举例
诗
白
本章重点和考点：
1. 二极管的单向导电性、稳压管的原理。
2. 三极管的电流放大原理， 如何判断三极管的管型 、管脚和管材。
第
3. 场效应管的分类、工作原理和特性曲线。
UT 26 mV
四、PN结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。
i/ mA
正向特性
60
i随着u按指数
40
规律变化
20
–50 –25
反 向
0 0.5 1.0 u / V 击穿电–压0.002
特 性
U(BR–) 0.004 死区电压
反向击穿
当反向电压超过某一
数值(ＵBR)后, 反向电
流急剧增加, 这种现 象称为反向击穿, 如
第一讲 思考题
• 本征半导体中加入 五价 元素可以形成N型半导体，
加入
元三价素可以形成P型半导体。
• 当温度升高时，二极管的反相饱和电流将增大 。
• 空穴是载流子吗？空穴导电时电子运动吗？
本征半导体两端外加一个电场，由于空穴的存在， 价电子将按一定的方向依次填补空穴，使空穴产 生定向运动，形成空穴电流。
四 版
5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效 应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它
童 们都可以用于放大？
诗
白 6.为什么半导体器件的参数会受温度影响？
引子：
第一章 半导体器件
电子技术的发展
• 47年 贝尔实验室制成第一只晶体管
• 58年 集成电路
• 69年 大规模集成电路
• 75年 超大规模集成电路
4. 漂移运动 内电场有利 于少子运动—漂 移。
少子的运动 与多子运动方向 相反
阻挡层
P
空间电荷区
N
内电场 Uho
5. 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；
随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；
当扩散电流与漂移电流大小相等时，PN 结总的电 流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。
空穴浓度多于自由 电子浓度，即 p >> n。 空穴为多数载流子，自 由电子为少数度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。
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。
四
版
童
本章教学时数：
8学时
诗
白
本章讨论的问题：
1.为什么采用半导体材料制作电子器件？
2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？
3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？
当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？
4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么
第 具有单向性？在PN结中加反向电压时真没有电流吗？
5. 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。
1.1.2 杂质半导体
采用扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的 杂质元素，形成杂质半导体。
杂质半导体有两种
N 型半导体 P 型半导体
控制掺杂元素的浓度，即可控制其导电性。
一、 N 型半导体(Negative)
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如
二、 PN 结的单向导电性（第空二间讲电）荷区变窄，有利
1. PN结 外加正向电压时处于导通于状扩态散运动，电路中有
较大的正向电流。
又称正向偏置，简称正偏。
P
耗尽层
N
I
内电场方向
外电场方向
电阻R的作用？
V
R
图 1.1.6
实验证明，在 PN 结加上一个很小的正向电压（大约 零点几伏），就可以使PN结处于导通状态， PN结通过较 大的正向电流，为防止电流过大，所以需要接入电阻 R。
光敏器件
往纯净的半导体中掺入某些杂质， 会使它的导电能力明显改变。
二极管
二、本征半导体的晶体结构
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
+4
+4
+4
将硅或锗材料提
纯便形成单晶体，
共 价
它的原子结构为 键
+4
+4
共
用
电
+4
子
共价键结构。
+4
当温度 T = 0 K 时，半导 体不导电，如同绝缘体。 图 1.1.1
➢ 雪崩击穿：掺杂浓度较低，反 向电压较大时，电场使少子加 快漂移速度，把价电子撞出共 价键，产生电子-空穴对，又 撞出价电子，称为雪崩击穿。 击穿时要限制电流,否则造成 永久性损坏。
第一章 半导体器件
反向击穿发生的条件与影响，如何利用？
➢ 对硅材料的PN结, 击穿电压ＵＢR大于７V时通常是雪崩 击穿, 小于４V时通常是齐纳击穿；ＵＢR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。
3 EGO
ni pi K1T 2e 2kT
ni、pi:自由电子与空穴浓度（ ）； T：热力学温度；
k：玻尔兹曼常数（
）；
EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量； K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能
级密度有关的常量。
T=300K时，硅、 锗本征载流子浓度 分别为
n = p =1.43E10/cm3 本征硅
磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型
半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些 硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价 电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受 自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。
自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 。 自由电子称为多数载流子(简称多子)， 空穴称为少数载流子(简称少子)。
本征半导体中载流子的浓度公式： 3 EGO (各参数的含义)
ni pi K1T 2e 2kT
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
n = p =1.43×1010/cm3
本征锗的电子和空穴浓度:
n = p =2.38×1013/cm3
第一章 半导体器件
四、本征半导体中载流子的浓度
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：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。
第一章 半导体器件
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。
例如：
当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。
（b) PN 结加反向电压
空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的 放电和充电过程。
+4
+4
导电能力，但很微弱。
图 1.1.2 本征半导体中的
空穴可看成带正电的载流子
自由电子和空穴
第一章 半导体器件
四、本征半导体中载流子的浓度
本征激发 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象
复合
动态平衡 运动中的电子填补了空穴，使二者同时消失
在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，
并且自由电子与空穴的浓度相等。
即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。
P
N
对称结
不对称结
总结：
第一章 半导体器件
思考：在PN结外加电压 后，载流子将如何运动？
➢浓度差—扩散运动 ➢复 合—空间电荷区 ➢内电场—漂移运动 ➢多子扩散=少子漂移 达到动态平衡，形成 PN结。 ➢ 在空间电荷区内自 由电子和空穴都很少， 所以称为耗尽层。
流 Is
耗尽层
区变宽
N
(反偏)
IS
内电场方向由于少数不载利流于子扩浓散运动，
外电场方向度很低，反有向利电于流漂移运动
V
R 数值非常小
图 1.1.7 PN 结加反相电压时截止
反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，
随着温度升高， IS 将急剧增大。
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。
5 价杂质原子称为施主原子。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
+4
图 1.1.3 N 型半导体
二、 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。
+4
+4
+4
空穴
+4
+34 受主 +4
原子
+4
+4
+4
图 1.1.4 P 型半导体
3 价杂质原子称为 受主原子。
➢ 发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。当PN结反向击 穿时, 只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻 Ｒ实现), 不使其过大, 以免因过热而烧坏ＰＮ结, 当反向 电压(绝对值)降低时, PN结的性能就可以恢复正常。
➢ 稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现稳 压的, 当流过ＰＮ结的电流变化时, 结电压保持ＵＢ基本 不变。（将在1.2.5中详细介绍）
第一章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识
1.2 半导体二极管
1.3 双极型晶体管
第
1.4 场效应管
四 1.5 单结晶体管和晶闸管
版 童
1.7Multisim应用举例
诗
白
本章重点和考点：
1. 二极管的单向导电性、稳压管的原理。
2. 三极管的电流放大原理， 如何判断三极管的管型 、管脚和管材。
第
3. 场效应管的分类、工作原理和特性曲线。
UT 26 mV
四、PN结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。
i/ mA
正向特性
60
i随着u按指数
40
规律变化
20
–50 –25
反 向
0 0.5 1.0 u / V 击穿电–压0.002
特 性
U(BR–) 0.004 死区电压
反向击穿
当反向电压超过某一
数值(ＵBR)后, 反向电
流急剧增加, 这种现 象称为反向击穿, 如
第一讲 思考题
• 本征半导体中加入 五价 元素可以形成N型半导体，
加入
元三价素可以形成P型半导体。
• 当温度升高时，二极管的反相饱和电流将增大 。
• 空穴是载流子吗？空穴导电时电子运动吗？
本征半导体两端外加一个电场，由于空穴的存在， 价电子将按一定的方向依次填补空穴，使空穴产 生定向运动，形成空穴电流。
四 版
5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效 应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它
童 们都可以用于放大？
诗
白 6.为什么半导体器件的参数会受温度影响？
引子：
第一章 半导体器件
电子技术的发展
• 47年 贝尔实验室制成第一只晶体管
• 58年 集成电路
• 69年 大规模集成电路
• 75年 超大规模集成电路
4. 漂移运动 内电场有利 于少子运动—漂 移。
少子的运动 与多子运动方向 相反
阻挡层
P
空间电荷区
N
内电场 Uho
5. 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；
随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；
当扩散电流与漂移电流大小相等时，PN 结总的电 流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。
空穴浓度多于自由 电子浓度，即 p >> n。 空穴为多数载流子，自 由电子为少数度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。
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。
四
版
童
本章教学时数：
8学时
诗
白
本章讨论的问题：
1.为什么采用半导体材料制作电子器件？
2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？
3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？
当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？
4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么
第 具有单向性？在PN结中加反向电压时真没有电流吗？
5. 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。
1.1.2 杂质半导体
采用扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的 杂质元素，形成杂质半导体。
杂质半导体有两种
N 型半导体 P 型半导体
控制掺杂元素的浓度，即可控制其导电性。
一、 N 型半导体(Negative)
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如
二、 PN 结的单向导电性（第空二间讲电）荷区变窄，有利
1. PN结 外加正向电压时处于导通于状扩态散运动，电路中有
较大的正向电流。
又称正向偏置，简称正偏。
P
耗尽层
N
I
内电场方向
外电场方向
电阻R的作用？
V
R
图 1.1.6
实验证明，在 PN 结加上一个很小的正向电压（大约 零点几伏），就可以使PN结处于导通状态， PN结通过较 大的正向电流，为防止电流过大，所以需要接入电阻 R。
光敏器件
往纯净的半导体中掺入某些杂质， 会使它的导电能力明显改变。
二极管
二、本征半导体的晶体结构
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
+4
+4
+4
将硅或锗材料提
纯便形成单晶体，
共 价
它的原子结构为 键
+4
+4
共
用
电
+4
子
共价键结构。
+4
当温度 T = 0 K 时，半导 体不导电，如同绝缘体。 图 1.1.1
➢ 雪崩击穿：掺杂浓度较低，反 向电压较大时，电场使少子加 快漂移速度，把价电子撞出共 价键，产生电子-空穴对，又 撞出价电子，称为雪崩击穿。 击穿时要限制电流,否则造成 永久性损坏。
第一章 半导体器件
反向击穿发生的条件与影响，如何利用？
➢ 对硅材料的PN结, 击穿电压ＵＢR大于７V时通常是雪崩 击穿, 小于４V时通常是齐纳击穿；ＵＢR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。
3 EGO
ni pi K1T 2e 2kT
ni、pi:自由电子与空穴浓度（ ）； T：热力学温度；
k：玻尔兹曼常数（
）；
EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量； K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能
级密度有关的常量。
T=300K时，硅、 锗本征载流子浓度 分别为
n = p =1.43E10/cm3 本征硅
磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型
半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些 硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价 电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受 自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。
自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 。 自由电子称为多数载流子(简称多子)， 空穴称为少数载流子(简称少子)。
本征半导体中载流子的浓度公式： 3 EGO (各参数的含义)
ni pi K1T 2e 2kT
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
n = p =1.43×1010/cm3
本征锗的电子和空穴浓度:
n = p =2.38×1013/cm3
第一章 半导体器件
四、本征半导体中载流子的浓度
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：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。
第一章 半导体器件
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。
例如：
当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。
（b) PN 结加反向电压
空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的 放电和充电过程。
+4
+4
导电能力，但很微弱。
图 1.1.2 本征半导体中的
空穴可看成带正电的载流子
自由电子和空穴
第一章 半导体器件
四、本征半导体中载流子的浓度
本征激发 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象
复合
动态平衡 运动中的电子填补了空穴，使二者同时消失
在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，
并且自由电子与空穴的浓度相等。
即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。
P
N
对称结
不对称结
总结：
第一章 半导体器件
思考：在PN结外加电压 后，载流子将如何运动？
➢浓度差—扩散运动 ➢复 合—空间电荷区 ➢内电场—漂移运动 ➢多子扩散=少子漂移 达到动态平衡，形成 PN结。 ➢ 在空间电荷区内自 由电子和空穴都很少， 所以称为耗尽层。