第1章半导体器件基础

• 2AP9
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用数字代表同类型器件的不同型号
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用字母代表器件的类型，P代表普通管
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用字母代表器件的材料，A代表N型Ge
•
B代表P型Ge，C代表N型Si，D代表N型Si
•
2代表二极管，3代表三极管
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1.2.5 稳压二极管 一、伏安特性
符号
iZ /mA
UZ
工作条件：反向击穿
IZ UZ
空穴可在共 价键内移动
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本征激发：
半导体在热激发下产生自由电子和空穴 对的现象称为本征激发。
复 合： 自由电子在运动的过程中如果与空穴相
遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现 象称为复合。
在一定的温度下，本征激发所产生的自由电 子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相 等，就达到动态平衡。
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第1章 半导体器件基础
1.1 概述 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体三极管 1.4 场效应管 小结
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1.1 概 述
1.1.1 半导体的导电特性 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结
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1.1.1 半导体的导电特性
IR P 区
N区 内电场 外电场
漂移运动加强形成反向电流 IR IR = I少子 0
外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。
PN 结的单向导电性：外加正向电压时处于导通状态，外加 反向电压时处于截止状态。
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三、PN 结的伏安特性
I IS (eu /UT 1)
反向饱 和电流
结论： 1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。
高频时，因容抗减小，使结电容分流，导致单向 导电性变差。 2. 结面积小时结电容小，工作频率高。
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1.2.4 二极管的常用电路模型
一、理想二极管模型
特性
iD uD
符号及
等效模型
S
S
表明二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流 为零。
正极引线 PN 结
外壳
触丝
点接触型
正极 引线
N型锗
金锑 合金
负极引线
底座
负极
面接触型
引线
P N
P 型支持衬底
集成电路中平面型
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1.2.2 二极管的伏安特性 一、PN 结的伏安方程
iD IS (euD /UT 1)
反向饱 和电流
温度的 电压当量
故 114 R 267
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补充： 发光二极管与光敏二极管
一、发光二极管 LED (Light Emitting Diode)
1. 符号和特性
符号
工作条件：正向偏置
一般工作电流几十 mA， 导通电压 (1 2) V
特性 i /mA
O 2 u /V
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例2：已知ui是幅值为5V的正弦信号，试画出ui和uo 的波形。设二极管正向导通电压UD=0.7V。
3.7 -3.7
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例3：电路如图所示，其输入电压uI1和uI2的波形 如图，二极管导通电压UD=0.7V。试画出输出电 压uo的波形，并标出幅值。
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 本征半导体 — 纯净的具有晶体结构的半导体。如
硅(Si)、锗(Ge)单晶体。
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硅(锗)的原子结构
价电子
硅(锗)的共价键结构 自 由 电 子
空
共价键
穴
简化模型
本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与 导电，这是半导体导电的特殊性质。
rD
UD(on)
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例一：电路如图所示，二极管导通电压UD约为0.7V。 试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。
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例二：分析图示各电路的输出电压值，设二极管导 通电压UD=0.7V。
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• 半导体二极管的型号(补充)
• 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
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二、PN 结的单向导电性 1. 外加正向电压(正向偏置)— forward bias
IF P 区
外电场
N区 内电场
扩散运动加强形成正向电流 IF
外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄。
限流电阻
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2. 外加反向电压(反向偏置) — reverse bias
玻尔兹曼 常数
UT
kT q
电子电量
当 T = 300K(27C)：
UT = 26 mV
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二、二极管的伏安特性
0 U Uth iD = 0
iD /mA
U (BR) IS
反 向
反向特性 O
正向特性
Uth
uD /V
Uth = 0.5 V (硅管) 0.1 V (锗管)
U Uth iD 急剧上升
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1.2.1 二极管的结构和类型 构成： PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode)
符号：A (anode)
C (cathode)
分类：
硅二极管 按材料分
锗二极管
点接触型 按结构分 面接触型
平面型
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正极 引线
N 型锗片 负极 引线
铝合金 小球
+4
+4
+4
空穴为少数载流子
+4
+5
+4
载流子数 电子数
磷原子
自由电子
模电拟 电子子 技技术 术 P 型(Positive)
+4
+4
+4
+4
+3
+4
硼原子
空穴
空穴 — 多子 电子 — 少子 载流子数 空穴数
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二、杂质半导体的导电作用
I
IP
IN
I = IP + IN
N 型半导体 I IN P 型半导体 I IP
O IZminuZ/V IZ IZmax
稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压 管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不 变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。
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二、主要参数
1. 稳定电压 UZ：是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。 2. 稳定电流 IZ：是稳压管工作在稳压状态下的参考电流，
UZ
一般，
CT
UZ T
100%
UZ < 4 V，CTV < 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数； UZ > 7 V，CTV > 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；
4 V < UZ < 7 V，CTV 很小。
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例一：已知稳压管的稳压值UZ=6V，稳定电流的最小 值IZmin=5mA。求图示电路中UO1和UO2各为多少伏？
反向击穿类型： 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。
反向击穿原因：
齐纳击穿：在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很小，不大的反向电压
(Zener)
就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价 电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧
增大，这种击穿称为齐纳击穿。
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二、二极管的恒压降模型
iD UD(oun)D
uD = UD(on)
0.7 V (Si) 0.3 V (Ge)
表明二极管导通时正向压降为一个常量， 截止时反向电流为零。
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三、二极管的折线近似模型
斜率1/ rDiD UD(on) U
I uD
Байду номын сангаасrD
U I
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温度对二极管特性的影响
iD / mA 90C
60
20C
40
20 –50 –25
0 0.4
uD / V
– 0.02
在室温附近，温度每升高1 C ，正向压降减小(2 2.5) mV。
温度每升高10 C ，反向电流约增大一倍。
可见，二极管的特性对温度很敏感。
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例二：在图示稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳定电压 UZ=6V，最小稳定电流Izmin=5mA，最大稳定电流Izmax=25mA； 负载电阻RL=600Ω。求解限流电阻R的取值范围。
分析：
由KCL I R I DZ I L
I DZ
UI
UZ R
UZ RL
而 5mA IDZ 25mA
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三、P 型与N 型半导体的简化示意图
负离子 P型
多数载流子 少数载流子
N型
正离子
多数载流子 少数载流子
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1.1.3 PN 结
一、PN 结(PN Junction)的形成 1. 载流子的浓度差引起多子的扩散
内电场 2. 复合使交界面形成空间电荷区 (耗尽层) 空间电荷区特点: 无载流子， 阻止扩散进行，利于少子的漂移。 3. 扩散运动和漂移运动达到动态平衡，形成PN结。
1.2.3 二极管的主要参数
iD
IF
U (BR)
URM O
uD
1. IF — 最大整流电流(最大正向平均电流) 2. URM — 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR — 反向电流(越小单向导电性越好)
4. fM — 最高工作频率(超过时单向导电性变差)
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影响工作频率的原因 — PN 结的电容效应
2. 主要参数 电学参数：I FM ，U(BR) ，IR
光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量
发光类型： 可见光：红、黄、绿 不可见光：红外光
显示类型： 普通 LED ，七段 LED , 点阵 LED
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二、光敏二极管
1．符号和特性 暗电流
i
O
Uo/V 3.7
1
0
t
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思考：已知电路中稳压管的稳定电压UZ=6V， 最小稳定电流IZmin=5mA，最大稳定电流 Izmax=25mA。 （1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下 输出电压UO的值。 （2）若UI=35V时负载开路，则会出现什么现 象？为什么？
击 穿
死区 电压
UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管 0.7 V (0.2 0.4) V 锗管 0.3 V
︱U(BR) ︱> ︱U︱ > 0 iD = －IS < 0.1 A(硅) 几十 A (锗) ︱U ︱> ︱U(BR) ︱ 反向电流急剧增大 (反向击穿)
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E = 200 lx
符号 2. 主要参数
E = 400 lx
特性
工作条件： 反向偏置
u
电学参数： 暗电流，光电流，最高工作范围
光学参数：
光谱范围，灵敏度，峰值波长
实物照片
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1.2.6 二极管应用举例
例1：已知ui是幅值为10V的正弦信号，试画出ui和uo 的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。
温度的 电压当量
当 T = 300(27C)：
UT = 26 mV
加正向电压时
加反向电压时 i≈–IS
玻尔兹曼 常数
UT
kT q
电子电量
I /mA
正向特性
反 向
u /V O
击
穿
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1.2 半导体二极管
1.2.1 二极管的结构和类 型1.2.2 二极管的伏安特性 1.2.3 二极管的主要参数 1.2.4 二极管常用电路模型 1.2.5 稳压二极管 1.2.6 二极管的应用举例
电流低于此值时稳压效果变坏，甚至根本不稳压。只要不超 过稳压管的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。
3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZM
P ZM = UZ IZM
4. 动态电阻 rZ 几 几十
rZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。
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5. 稳定电压温度系数 CT
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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。
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1.1.2 杂质半导体 一、N 型半导体和 P 型半导体
N 型(Negative)
电子为多数载流子
击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。
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iD / mA
60 40 20 –50 –25
0 0.4 0.8 uD / V
– 0.02
– 0.04
硅管的伏安特性
iD / mA
15 10 5
– 50 – 25
–0.01 0 0.2 0.4 uD / V
–0.02
锗管的伏安特性
(击穿电压 < 4 V，负温度系数)
雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，当反向电压增加到较
大数值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与 共价键中的价电子相碰撞，把价电了撞出共价键，产生 电子-空穴对。新产生的电子与空穴被电场加速后又撞 出其它价电子，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增 加，这种击穿称为雪崩击穿。 (击穿电压 > 7V，正温度系数)