http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/第五章 半导体器件（时间：3次课，6学时）http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/教学提示：半导体器件是构成电子线路的基本单元， 掌握半导体器件 的基本特性是分析电子线路的基础。本章首先讨论半导体的特性，然后分别介绍PN结、二极管、 三极管、场效应管(和晶闸管)的基本知识。 教学目的：1.了解P型半导体、N型半导体以及PN结的特性；2. 掌握半导体二极管、三极管和场效应管工作原理、伏安特性和主要参数；3. 了解其它类型的半导体器件。http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/主要内容5.1 半导体与PN结5.2 半导体二极管 5.3 半导体三极管 5.4 场效应管 5.5 复合管http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/5.1 半导体与PN结导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体.常用的半导体材料是锗（Ge）和硅（Si）。 5.1.1 本征半导体1.纯净的半导体称为本征半导体。2.本征半导体的共价键结构:最外层都有四个价电子; 每一个价电子都和邻近原子的价电子组成一对共价键，形成相互束缚的关系。3.最外层均有八个价电子而处于稳定状态。这时半导体内部没有任何带电的粒子存在，半导体材料相当于绝缘体。 http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/4.本征激发:温度或外界光照影响下，价电子电子得到能量，其中少数 能量较大的价电子可以摆脱共价键的束缚而形成自由电子, 这种现象称为本征激发 5.电子空穴对:价电子脱离了共价键束缚后，在原共价键中缺少一个应有的电子而留下了“空穴”，形成电子空穴对.“空穴”因失去电子而形成的，被视为带单位正电荷. 6.复合:带正电荷的空穴，会吸引相邻原子上的价电子来填补(复 合)，而在这个价电子的原来地方留下新的空穴。 http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/7.载流子空穴(+)和电子(-)都是带电的粒子，称为载流子.空穴和电子的运动是杂乱无章的, 在本征半导体中不构成电流 。 8.激发和复合的动态平衡:在外界环境影响下，电子和空穴的激发和复合是同时进行的，并保持动态平衡，使电子空穴的浓度保持不变。随着温度的升高，本征激发会提高电子空穴对浓度。5.1.2 P型半导体和N型半导体本征半导体中空穴(+)和电子(-)是等量的而且很少.在本征半导体中掺入微量的其它(杂质)元素,掺杂后的半导 体 - 杂质半导体。掺杂的元素不同，P型(杂质)半导体和N(杂质)型半导体。 http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/1.N型半导体 在本征半导体锗或硅中掺入五价的磷(P)或锑(Sb)元素， 杂质原子代替本征半导体晶格中的某些锗或硅的原子，并提 供一个多余价电子，它仅受本身原子核的吸引，只要获得少 量的能量就能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。五价的杂质元素提供多余的价电子，称此杂质为施主杂质。掺入施主杂质后的半导体中自由电子的浓度远大于空穴，这样的半导体称为N型半导体。N型半导体中自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子.五价的杂质原子由于给出一个 价电子后成为带正电荷的离子, 它是被束缚在半导体晶格中不能移动而不能参与导电。 http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/n N型半导体简化结构 空穴http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/P型半 导体在本征半导体锗或硅中掺入三价的元素(B)或(Al)三价元素的原子代替本征半导体晶格中（锗或硅）的原子 。 由于三价元素只有三个价电子，使第四对共价键留下“空 穴”，邻近原子共价键上的电子只需获得少量的能量就能填 补这个空穴，三价的杂质元素的原子能接受电子，故称为受主杂质。掺杂后的半导体中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，这样的半导体称为P型半导体。负离子多子空穴少子电子型半导体简化结构http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/5.1.3 PN 结 1.PN结的形成:纯净的半导体晶片上， 一边掺杂成P型半导体， 一边掺杂 成N型半导体,如下图 .1).扩散运动 : 浓度的差异引起载流子 的运动称为扩散运动 . 扩散从P区与N区的交界处开始。 空穴扩散到N区与电子复合， 在P区留下不能移动的负离子； 电子扩散到P区与空穴复合. 2)空间电荷区: 在N区留下不能移动的正离子。在P区和N区的交界附近形成一个 不能移动的正、负离子的空间电荷区称为PN结。 http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/3).飘移运动:由正、负离子组成的空间电荷区,其电场是由N区去指向P区， 即PN结的内电场。 (见上页图) 内电场力阻碍多子的扩散，有利于双方少子向对方运动(飘移 运动)。飘移运动所形成的电流称为飘移电流。 4)动态平衡 少子的飘移运动(复合对方的离子)会使空间电荷区变窄， 消弱了内电场。使内电场力减小，又有利于扩散的进行。扩散 空间电荷区 内电场力 飘移运动 消弱了内电场动态平衡 - 空间电荷区稳定 http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/(1).PN结正向偏置:如图 - P区接电源的正极，N区接电源的负极.外电场消弱了内电场，使PN结变窄，破坏了原动态平衡，多子的扩散大于少子的飘移，外电路可测到一个正向电流I，此时称为PN结导通 .PN结呈现为低电阻. 2.PN结的特性PN结两端加不同极性的电压，就会有不同的导电特性。 http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/(2).PN结反向偏置 : 如图- P区接电源的负极，N区接电源的正极 .外电场增强了内电场，使PN结变宽，破坏了原有的动态平衡，加强子的飘移运动。少子的数量很少.因此，少子的飘移运动产生的电流很小，可忽略不计，此时称为PN结截止。PN结呈现出高电阻。(3).单向导通特性PN结正向偏置，PN结呈现低阻，正向导通；PN结反向偏置，PN结呈现高阻，反向截止。- PN结重要的单向导通特性。http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/5.2 半导体二极管5.2.1 基本结构一个PN结上引出两个电极，加上外壳 封装,如右图(a)。半导体二极管用图(b)符号表示. 加工工艺不同,二极管类型:点接触型二极管:PN结面积很小，流过电流小。结电容小，多用于 高频与开关电路。点接触型二极管多是锗管。面接触型二极管:PN结的面积大，可通过大的电流，工作频率低， 多用于整流电路。此类管一般是硅管。nhttp:/www.wenyuan.com.cn/webnew/5.2.2 伏安特 性伏安特性曲线: 是指流过二极管的电流和二极管两端电压之间的关系曲线，如下图。 1.当正偏置电压Uth值:流过二极管的电流才随电压的增加而呈指数式大导通区Uth称为二极管的门限(死区)电压。锗管:Uth值约为0.1V;硅管:Uth值约为0.5V。使二极管上有明显的电流流过，锗管正向电压应取(0.20.3)V ;硅管正向电压应取(0.60.8)V，这个电压称为二极管导通电压UD(正向导通压降)。死区导 通 区UDhttp:/www.wenyuan.com.cn/webnew/3.反向特性: 1).反向截止状态:二极管加反偏置电压时，只有少数载流子的飘移运动产生微 小的反向电流，称为反向饱和电流 - 二极管反向截止。2).反向击穿状态: 当反向电压加大到某一数值时，反向电流将会急剧增加，- 称为反向击穿，该反向电压称为反向击穿电压Ubr 。这时，二极管失去单向导电的特性。5.2.3 主要参数1.最大整流电流 - 最大正向平均电流 .2.最高反向工作电压 -二极管加反向电压时不被击穿的极限参数。3.最大的反向电流- 单向导电性能好坏的指标. http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/5.2.4. 稳压二极管1.原理与符号: (左图)当二极管两端的反向电压加大到一定程时,反向电流急剧增加大 - 二极管反向击穿特性.在这区间里，反向电流在很大范围内变化， 而二极管两端电压基本不变。采用特殊的工艺可制作成稳压二极管，它在电路中能起到稳压的作用。工作在反向穿状态下，它的反向击穿是可逆的。2.主要参数 (1)稳定电压UZ：是稳压二极管正常工作时的稳压值(2)稳定电流IZ：正常稳压时的最小工作电流。 (3)动态电阻rZ： rZ越小,稳压性能越好.正向特性反向特性IZVZ0VIhttp:/www.wenyuan.com.cn/webnew/5.3 半导体三极管5.3.1 三极管的基本结构一块半导体基片上掺杂形成三个区。由P区和N区的排列不同，三极管分成两类：NPN型和PNP型，如图(a)和(b)所示。三个区两个结三个极http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/5.3.2 三极管的电流放大作用1.电源EB向发射结提供正向偏置， UBE0。发射结有明显的电流流过，锗管正向电压应(0.20.3)V ; 硅管正向电压应(0.60.8)V，(正向导通压降)。 2.电源EC向集电结提供反向偏置， UCB0。 三极管(NPN为例)要实现放大的条件:如图(a)所示 。http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/1.发射区发射多数载流子形成IE(1).发射区中多子电子向基 区扩散形成电流IEN (2).基区中多子空穴，向发 射区扩散形成电流IEP (3)两者的电流方向相同，形 成发射极电流IEIE = IEN +IEP IEN E区掺杂的浓度远高于B区掺杂的浓度.http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/(1).发射区向基区扩散的电子少数在基区与空穴复合形成复合 电流IBN ,绝大多数都能穿越基区到达集电结附近。(2).集电结反向偏置，基区和集电区的少子互向对方飘移，形 成飘移电流ICB0，称为反向电流。 (3) 上已知:基区中多子空穴，向发射区扩散形成电流IEP(4) 组成基极电流IB有:IB = IBN + IEP - ICB0 IBN - ICB0 (5-2) 3.集电区收集载流子形成集电极电流IC(1) 集结在集电结附近发射区发射过来的大量电子, 被EC正极吸引到集电区，流向EC的正极，形成ICN(2)上已知:基区和集电区中少子飘移，产生飘移电流ICB0(3) 集电极电流IC为 : IC = ICN + ICB0 = IEN - IBN + ICB0 (5-3)2.基区复合形成基极电流IChttp:/www.wenyuan.com.cn/webnew/4.三极管电流分配关系: 已知:式(5-1)、(5-2)、(5-3)如下:IE = IEN +IEP (5-1)IB = IBN + IEP - ICB0 (5-2)IC = IEN - IBN + ICB0 (5-3)而(5-2)+(5-3) 得 IB + IC = IEN +IEP 即: IE = IB + IC分析可看出：发射极电流IE等于集电极电流IC和基极电流IB之和.http:/www.wenyuan.com.cn/webnew/把三极管看成一个结点，根据基尔霍夫电流定律，则可写成:IE