第1章半导体元件及其特性.docx

「壬彳
第1章半导体元件及其特性
©半导体基础知识与PN结
®二极管
。晶体管
。场效应管
。本章小结
夹召3"
i.i半导体基础知识
一 与哩吉 —
主要要求：
1 .了解半导体材料的基本知识
2. 理解关于半导体的基本概念
3. 理解PN结的形成
4. 掌握PN结的单向导电作用
2017^2 21 9 < JWA2

I"匚"上，
半导体的特点
1.半导体的特点
半导体是制造电子器件的主要原料，它的广泛应用不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是它的电阻率可以随温度、光照、杂质等因素的不同而呈现显著的区别。
（导体
自然界中的物质按导电性能可以分为半导体
L缘体
所敏性
半导体导电特性独有的特点V缶敏，性
魅敏性

2 .本征半导体
常用的半导体材料有硅（Si）和错（Ge）,高纯度
的硅和错都是单晶结构，它们的原子整齐地按一定规律排
列，原子间的距离不仅很小，而且是相等的。把这种纯净
（a）硅原子结构 （b）错原子结构
的、原子结构排列整齐的半导体称为本征半导体。
硅和错的外层价电子都是4个，所以都是4价元素,右图是硅和错的原子结构示意图。
20174221 q4
孕上『I
这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示：
价电子（热激发）
自由电子•空穴对

复合

平衡
（1）温度越高，自由电子-空穴对数目越多；
（2）自由电子-空穴数目相等，
对外不显电性。硅（错）

注意：
半导体与导体不同，内部有两种载流子参与导电 自由电子与空穴。在外加电场的作用下，有：
I=In（电子电流）+Ip（空穴电流）
空穴导电的实质是价电子的定向移动!
? I：?5：54
第1章半导体元件及其特性

3 .掺杂半导体
本征半导体实际使用价值不大，但如果在本征半导体中掺入微量某种杂质元素，就形成了广泛用来制造半导体元器件的N型和P型半导体。
根据掺入杂质的不同掺杂半导体可以分为
N型半导体
P型半导体

西种载流子运动演示
(1) N型半导体一杂质为少量5价元素，如磷(P)；
自由电子——多数载流子 空穴—— 多子
空穴——少数载流子
载流子数Q电子数
自由电子一少子
载流子数«空穴数

2017斗2月21日女二
? I:芒
注意：
无论是N型还是P型半导体都是电中性，对外不显电性！ ！ ！
?"如『j
1.1.2 PN结形成与特性
。什么是PN结？
PN结是P型与N型半导体区域交界处的特殊带电薄层，具有特殊的单向导电性，是半导体元器件制造的基础单元。
10
「"匚十|
PN结的形成演示
1.PN结的形成
㊀.㊀.
㊀:㊀:
㊀㊀
㊀㊀
©㊉⑥:的
©①成㊉•

散移态衡
扩漂动平
载流子.M复空间-内电场浓度差于合—电荷阻碍多子扩散扩 区帮助少子漂移散（耗尽层）
注昔. 洲太中希场div什妻县而卜主出义右湍;« 日n『一
iKS
I；;
11^1!
己 1：?5：54
第1章半导体元件及其特性

2.PN结的特性
（1） PN结的正向导通特性——正偏导通（P区电位高于N区）
多子空穴
多子自由电子

0. 12 O (
\[ ir 11
IL J[ 1
uu

所以，正偏时扩散运动增强，漂移运动几乎减小为0,宏观上形成很大的
正向电流/F
2017*2具 21 日 ¥*二
12
外电场越强，正向电流越大，PN结的正向电阻越小。
i：」
PN结的单向导电性
2.PN结的特性
(1) PN结的反向截止特性——反偏截止(P区电位低于N区:
N区
I 第1章半导体元件及其特性

要记住：
(1 )外加正向电压时PN结的正向电阻彳艮小，电流较大，是多子扩散形成的；
(2)外加反向电压时PN结的反向电阻彳艮大，电流极小，是少子漂移形成的。
要注意：
PN结电路中要串联限流电阻。

2017 年 2),21 日女 二
14

2 l：25：5H

1. 2二极管
主要要求:
1.了解半导体二极管的结构、类型、特性与参数
2.掌握半导体二极管在电子技术中的应用

认识二极管
2 l：25：5H

:"
二极^管的结构与类型
一个PN结加上相应的外引线，然后用外壳封装就成为最简单的二极管了，其中，从P区引出的引线叫做阳极或正极、从N区引出的引线叫做阴极或负极。
常用D (Diode)表示二极管。
._D
阳极Z阴极
管壳 PN结电流方向
图中的箭头表示正偏时的正向电流方向。
? "*剥［
分类：
按材料分，
硅二极管
错二极管
阳极
Q
按结构分＜
点接触型
P型层
金属触丝
I面接触型
阳极
Si()2保护层

N型错

1 L
N型硅

P型扩散层
阴极
。阴极
点接触型
0
面接触型

2017^2 21 9 ¥ 掘二
18

?"匚:剥［
二极管的特性与参数
1 .二极管的伏安特性
半导体二极管的内部就是一个PN结，因此二极管具
有和PN结相同的单向导电性，实际的二极管伏安特性曲
线如下图所示：

_ -g小功率硅二极管与错二极管几个典型参数的比较：
死区电压，
，硅管——0. 5V
错管——0. 2V
正向导通压降最
硅管——0. 7V
错管——0. 3V
反向电流Irv
硅管——几皿以下
错管——几十到几百时

2017^2 21 920
2 l：?5：5H
PN结的正向和反向电流与外加电压的关系可以用公式表示为：
温度的电压当量，常温下:
=26 mV

当U>0时为正向特性；当UvO时为反向特性。
?」
2 .二极管的主要参数
(1) 最大整流电流Ifm
——指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。
(2) 最高反向工作电压Urm
——指二极管不击穿时所允许加的最高反向电压，URM通常是反向击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。
(3) 最大反向电流Irm
——在常温下承受最高反向工作电压Urm时的反向漏电流，一般很小，但受温度影响很大。
(4) 最高工作频率fM
——指二极管保持单向导电性时外加电压的最高频率。
2017岸2月21日¥明二22

二极管的应用电路举例
二极管是电子电路中常用的半导体器件，利用其单向导电性和正向压降很小的特点，可应用于整流、检波、钳位、限幅、开关以及元件保护等各项工作。
1 .整流
——整流就是利用二极管的单向导电特性将交流电变成单方向脉动的直流电的过程，这部分内容将在第6章作详细介绍。

2.钳位
——利用二极管正向导通时压降很小的特性，可以组成钳位电路，如下图所示。
图中若A点UA=0,I)
二极管D正偏导通，压降
很小，所以F点的电位也I
被钳制在0V左右，即Uf］犬
近似为0。D |
AF
2017年2具21日女刘二24
? *匚明
3.限幅
——利用二极管正向导通后两端电压很小且基本不变的特性可以构成各种限幅电路，使输出电压限制在某一电压值以内。下图为一正、负对称限幅电路:uplOsinwt (V),US1=US2=5VO可见，如忽略二极管正向导通压降，输出被限制在大约±5 V之间。

4.元件保护

——在电子线路中，经常利用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害。下图所示电路是利用二极管来保护开关S的保护电路。

-ud2

c
1
! •
1
1
+
当开关S断开时，由于电流的突然中断，电感L将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势如，如与U叠加作用于开关S上，使开关S的寿命缩短。

二极管D的接入，使％通过二极管产生放电电流以释放能
量，从而保护了开关s。

201742 21926
::
「普通二极管
整流二极管
〈稳压二极管
不同用途、
结构的二极管
除以上用途外，还有许多特殊结构的二极管，例如发光二极管、热敏二极管等，随着半导体技术的发展，二极管的应用范围越来越广，其中发光二极管是应用较多的一种二极管。
发光二极管
光电二极管
＜检波二极管等等

1.2.4发光二极管及其应用
1 .发光二极管的符号及特性
发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件,简称LED (Light Emitting Diode)。
和普通二极管相似，LED也是由一个PN结组成的，当正向导通时可以发出一定波长的可见光，常有红、绿、黄等颜色。
也有可以发出红外光等不可见光的发光二极管。
201742 219 星刘二
28

::
发光二极管具有驱动电压低、工作电流小、具有很强的抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛应用于信号指示等电路中。
一般LED的工作电流为几十mA,正向导通压降为(1~2)V,安全使用电压应选择5V以下。
2 l：25：5H
第1章半导体元件及其特性

2. 发光二极管的应用
(1)做电源通断指示电路。
供电电源可
以是直流也
可以是交流

但要保证LED的正向工作电流在规定的范围之内，具体型号LED的工作电流可查阅手册等资料。
2017*2月21日芸圳二
30

牛匚…
(2)发光数码管。
——发光数码管是电子技术中的主要显示器件，常用的七段显示数码管是用LED经过一定的排列组成的，如图所示。

七段显示数码管有共阳极和共阴极之分，如下图所示。
2
共阴极LED分布
共阳极LED分布
第1章半导体元件及其特性
2017斗2』210女撕工

"芒至』
1.3晶体管
主要要求：
1. 了解半导体三极管的结构、类型与参数
2. 理解三极管的放大作用
3. 掌握半导体三极管的电流分配关系
LK**1
4. 掌握半导体三极管的特性曲线的含义
5. 了解复合三极管的概念与意义
"产
认识三极管
低频大功率三极管

IV V A Al
日 l：?5：5H
13.1晶体管的结构和类型
1.三极管的结构
r集电区
＜基区
:发射区
集电极Collector
＜基极Base
:发射极Emitter
三区
两结
集电结
发射结
集电极C
P
一集电区
/集电结一基区
、发射结
j发射区
发射极E
?
按结构分
按材料分
NPN管
PNP管

三极管的分类＜
f硅管
L错管
按频率特性分
f高频管
1低频管
大功率管中功率管小功率管
2017年2),21日女圳二36

?"匚闩，
晶体管电流分配和放大作用
注意：三极管放大的条件
发射区掺杂浓度高
基区薄且掺杂浓度低
集电结面积夫
外部发射结正偏
条件1集电结反偏

1.发射区向基区
发射电子，形成
发射极电流上的
主要成份。
2 .基区中电子的
复合形成基极电
流皓的主要成份。

下面以NPN管为例讨论三极管的电流分配与放大作用，所得结论一样适用于PNP三极管。
?
3 .集电区收集电子形成集电极电流lc的主要成份。
20174 22! q38
—f
综上所述，得到三极管的电流分配关系：
(1)Ie=【c+【b
(2 ) Ic=P【B
(3 ) IE=IC+IB = (1+ P ) IB- Ic
三极管中还有一些少子电流，比如Lbo，通常可以忽略不计，但它们对温度十分敏感。
—f
133晶体管的特性曲线
因为三极管有三个电极，因此，分别将三极管的三个电极作为输入端、输出端和公共端，有三种不同的三极管电路的组成方式。根据公共电极的不同，分别叫做共发射极电路、共集电极电路和共基极电路。
2017 耳 2JJ21 日40
2 1:25:54

1 .输入特性曲线
，B = /（知）|也=常数
Rce^IV
硅管分别约为0.5V和0.7V错管分别约为O.1V和0.3V
uCE^lV,集电结反偏，电场足以将发射区扩散到基区的载流子吸收到集电区形成L，%E再增大曲线也几乎不变
?2~0^4—0^6~~0*8 "
死区电压与导通电压Ube
下图是测试三极管共发射极电路伏安特性曲线的电路图:

2017洋2用21日¥阳二42

? I
2 .输出特性曲线
=f ("CE)
B=常数
? 1：?5：54
1 |1A
80 ”
60 nA
40 gA
20 gA
(1) 截止区——iB=0曲线以
(2) 放大区——在iB=0的特
(3) 饱和区——输出特性曲
线近似直线上升部分：
三极管饱和时管压降
Uce很小，叫做饱和压降Uces，
两结均正偏，相当于闭合开
关。
第1章半导体元件及其特性
晶体管的主要参数 A _
r r_AIc
交流电流放大系数「=互
1.电流放大系数J 星
、直流电流放大系数
is in
交流、直流电流放大系数的意义不同，但在输出特性线
性良好的情况下，两个数值的差别很小，一般不作严格区分。
常用小功率三极管的p约为20〜150左右。
2017年 2 月 21 日
44

2•极间反向电流J
CBO
I*测试电路
loro测试电路
反向电
流受温
度
影响大
越小越
"集、基间反向饱和电流
集、射间反向饱和电流I®
'（穿透电流）
^(BR)CEO MCE
第1章半导体元件及其特性
第1章半导体元件及其特性
2017年2月21日芸獭二 46

L3.5复合晶体管
复合三极管是把两个三极管的引脚适当地连接起来等效为一个三极管，从而获得对电流放大系数等参数的改变。
c

可以证明：复合管的电流放大系数近似为两个管子电流放大系数的乘积，但复合管的穿透电流也较大。

c
=P占邛Sp山
= Pr^(2 + pJ

1.4场效应管
主要要求：
1. 了解场效应管的结构、特点
2. 了解场效应管的原理、特性曲线与参数
绝缘栅场效应晶体管的原理和特性
1. N沟道增强型绝缘栅场效应管MOSFET的结构(Mental Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体三极管，是利用一种载流子导电的单极型器件。
特点：具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点，制作工艺简单、便于集成。
金属铝 D G
招2绝缘体
D一 漏极 Drain1
G —栅极Gate G」t
一源极 Source S

2017年 2),21 日 ¥ 期二50

N+
=卞二N+

X―1

N沟道
P型硅衬底

还有多种其他类型的场效应管，比如这是P沟道耗尽型场效应管的符号：