第十四章 半导体器件电子技术 模拟电路部分(1-1)第十四章 半导体器件 14.1 半导体的导电特性 14.2 PN结及其单向导电性 14.3 二极管 14.4 稳压二极管 14.5 晶体管 14.6 光电器件2导 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。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。14.1 半导体的导电特性导体、半导体和绝缘体3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 - 热敏特性、光敏特性。 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 - 掺杂特性。414.1.1 本征半导体 一、本征半导体的结构GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗 (Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。5本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中 心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与 其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶 体结构：6硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除 去价电子 后的原子7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，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很弱。共价键形成后，每个原 子最外层电子是八个，构成 比较稳定的结构。共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+48二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以 自由运动的带电粒子（即载流子），它的导电能 力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴9+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子自由电子、空穴成对出现自由电子、空穴成对出现102.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下 ，空穴可吸引附近的电 子来填补，其结果相当 于空穴的迁移，而空穴 的迁移相当于正电荷的 移动，因此可认为空穴 是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子： 自由电子和空穴。自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动 11温度越高，载流子的浓度越高，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。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1. 自由电子移动产生的电流。2. 空穴移动产生的电流。1214.1.2 N 型半导体和P 型半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，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的浓度大大增加。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体 ，也称为（电子半导体）。13一、N 型半导体+4+5+4+4多余 电子磷原子在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）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，其中四个与相邻的半导体原子形成 共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，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。14二、P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼（或铟）三价元素硼（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，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空位。 这个空位可能吸引束 缚电子来填补，使得 硼原子成为不能移动 的带负电的离子。+4+4+3+4空位硼原子P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。空穴15三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体+N 型半导体杂质型半导体中多子和少子的移动都可形 成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要 是多子，受温度影响较小。16PN 结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。14.2 PN 结及其单向导电性17P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间 电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动 就越强，而漂移的结果 使空间电荷区变薄。空间电荷区， 也称耗尽层。18P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 时，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。19+空间 电荷区N 型区P 型区20PN结的单向导电性PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正电压、N 区加负电压。PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负电压、N 区加正电压。21一、PN 结加正向电压内电场外电场变薄PN+RE+_内电场被削弱，多子扩散加强，能够形 成较大的正向电流。22二、PN 结加反向电压+内电场 外电场变厚NP+_RE内电场被加强，多 子扩散受到抑制，少 子漂移加强，但因少 子数量有限，只能形 成较小的反向电流。23总结：1、加正向电压时，PN结处于导通状态，呈 低电阻，正向电流较大。2、加反向电压时，PN结处于截止状态，呈 高电阻， 反向电流很小。PN 结具有单向导电性24一、基本结构：PN 结加上管壳和引线。结面结面 积小、积小、 结电容结电容 小、正小、正 向电流向电流 小。用小。用 于检波于检波 和变频和变频 等高频等高频 电路。电路。结面积结面积 大、正大、正 向电流向电流 大、结大、结 电容大电容大 ，用于，用于 工频大工频大 电流整电流整 流电路流电路 。用于集用于集 成电路成电路 制作工制作工 艺中。艺中。 PNPN结结 结面积结面积 可大可可大可 小，用小，用 于高频于高频 整流和整流和 开关电开关电 路中。路中。14.3 二极管25UI硅管硅管0.5V0.5V 锗管锗管0 0.1V.1V反向击穿 电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电外加电压大于死区电 压，二极管才能导通。压，二极管才能导通。外加电压大于反向击外加电压大于反向击 穿电压时，二极管被击穿电压时，二极管被击 穿，失去单向导电性。穿，失去单向导电性。正向特性反向特性硅硅0 0.60.8V.60.8V 锗锗0 0.2.20.3V0.3V死区电压PN+PN+反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。二、伏安特性：非线性26三、主要参数1. 最大整流电流 IOM二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正 向平均电流。 2. 反向工作峰值电压URWM保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一 般是反向击穿电压U(BR)的一半或三分之二。点接 触型D 管为数十伏，面接触型D管可达数百伏。通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单向导电 性被破坏，甚至过热而烧坏。273. 反向峰值电流 IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反 向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小（ V阴 导通V阳 0 导通UD VB故：DA优先导通 DB截止若：DA导通压降为0.3V则：VY = 2.7V解：P12：例14.3.2DA-12VVAVBVYDBR32例例3 3：已知：管子为锗管，VA = 3V，VB = 0V。导通压 降为0.3V，试求：VY = ?方法：先判二极管谁优先导通，导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值。因：VA 8V 8V，二极管导通，可看作短路二极管导通，可看作短路 u uo o= 8V = 8Vu ui iV VE E集电结反偏集电结反偏 V VC C V VB B EBRBE EC CRC14.5.2 电流分配和放大原理从电位的角度看42晶体管电流放大的实验电路 设设 E EC C= = 6 6 V V，改变可变电阻改变可变电阻 R RB B，则基极电流，则基极电流 I IB B、集电极电流集电极电流 I IC C 和发射极电流和发射极电流 I IE E 都发生变化，测量都发生变化，测量 结果如下表：结果如下表：各电极电流关系各电极电流关系及电流放大作用及电流放大作用mAAVV mAICECIBIERB+ UBE + UCE EBCEB3DG10043I IB B(mA(mA) )I IC C(mA(mA) )I IE E(mA(mA) )0 00.020.020.040.040.060.060.080.080.100.10IC ，称为饱和区55IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0此区域中 ： IB=0, IC=ICEO UBE UBE ，IC = IB , 且 IC = IB+UBE 0 C TE ICIEIB+ UCEB- UBC IC+ IEB +UBE 0 C TE - UBC 0 + 58(3) 截止区：发射结反偏，集电结反偏。UBE 死区电压，IB=0 ， IC=ICEO 0 IC = 0IB = 0+ UCE UCCIEB +UBE 0 C TE - UBC 0 + 59已知UCE=6V时：IB=40A, IC=1.5mA 求 和 。IB=60 A, IC=2.3mA在以后的计算中，一般作近似处理：=例题23页例14.5.2： 解 ：I IB B=0=02020 A A4040 A A6060 A A8080 A A100100 A A3 36 6I IC C( (mmA A ) )1 12 23 34 4U UCECE(V)(V)9 912120 0QQ1 1QQ2 260三、主要参数前述电路中，三极管的发射极是输入和输出 的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、 共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：1. 电流放大倍数 和 612. 2.集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流 I ICBOCBOI ICBOCBO是由少数载流子的是由少数载流子的 漂移运动所形成的电流，漂移运动所形成的电流， 受温度的影响大。受温度的影响大。温度温度I ICBOCBO ICBOA+EC3. 3.集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流( (穿透电流穿透电流) )I ICEOCEOAICEOIB=0+I ICEOCEO受温度的影响大。受温度的影响大。 温度温度I ICEOCEO ，所以所以I IC C也也 相应增加。相应增加。三极管的温度三极管的温度 特性较差。特性较差。624.集电极最大允许电流ICM集电极电流IC上升会导致