大學模擬電子線路課件

半導體器件是組成各種電子電路——包括模擬電路和數(shù)字電路，分立元件電路和集成電路的基礎。本章討論半導體的特性，PN結的單向導電性，二極管、三極管、場效應管的結構，工作原理，特性曲線和主要參數(shù)第1章．半導體器件/sundae_meng第1章．半導體器件http://www.doc1

物質可分為：導體：<=10-4Ω.cm

如：銅，銀，鋁絕緣體：=109Ω.cm

如：橡膠，塑料半導體其導電能力介于上面兩者之間，一般為四價元素的物質，即原子最外層的軌道上均有四個價電子,所以稱它們?yōu)?價元素。半導體有：元素半導體：硅（Si）、鍺（Ge）等；化合物半導體：砷化鎵（GaAs）等第一節(jié)．半導體的特性/sundae_meng物質可分為：第一節(jié)．半導體的特性http://www.2原子結構的簡化模型圖1.1.1硅或鍺的簡化原子結構模型圖1.1.2硅或鍺晶體的共價健結構示意圖/sundae_meng原子結構的簡化模型圖1.1.1硅或鍺的圖1.1.2硅或3●本征半導體通常把非常純凈的、幾乎不含雜質的且結構完整的半導體晶體稱為本征半導體。在T=0K（相當于—273oC）時半導體不導電，如同絕緣體一樣。如溫度升高，如在室溫條件下，將有少數(shù)價電子獲得足夠的能量，以克服共價鍵的束縛而成為自由電子，其載流子的數(shù)量很少（自由電子的數(shù)量）導電能力很弱。1.1.1本征半導體/sundae_meng1.1.1本征半導體http://www.docin.c4束縛電子本征激發(fā)空穴、電子對兩種載流子：電子與空穴載流子產生與復合動態(tài)平衡載流子濃度與T有關圖1.1.3本征激發(fā)現(xiàn)象/sundae_meng束縛電子圖1.1.3本征激發(fā)現(xiàn)象http://www.d5

在本征半導體中摻入少量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著的改變。根據(jù)摻入雜質的化合價的不同，雜質半導體分為:N型半導體和P型半導體兩大類。一．N型半導體：

在4價硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質元素，如磷，銻，砷等。1.1.2雜質半導體/sundae_meng1.1.2雜質半導體http://www.docin.co6施主雜質、多數(shù)載流子（多子）、少數(shù)載流子（少子）、電子型半導體

（a）（b）圖1.1.4N型半導體（a）結構示意圖（b）離子和載流子（不計本征激發(fā)）/sundae_meng施主雜質、多數(shù)載流子（多子）、少數(shù)載流子（少子）、7受主雜質、多子、少子、空穴型半導體

（a）（b）圖1.1.5P型半導體（a）結構示意圖（b）離子和載流子（不計本征激發(fā)）二．P型半導體：在4價硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質元素，如硼，錫，銦等。

/sundae_meng（8

N半導體、P半導體電中性

半導體的特性：

1、熱敏性

2、摻雜性

3、光敏性/sundae_mengN半導體、P半導體電中性

91.2.1PN結及其單向導電性

單純的P型或N型半導體，僅僅是導電能力增強了，因此它還不是電子線路中所需要的半導體器件。若在一塊本征半導體上，兩邊摻入不同的雜質，使一邊成為P型半導體，另一邊成為N型半導體，則在兩種半導體的交界面附近形成一層很薄的特殊導電層——PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。第二節(jié)．半導體二極管/sundae_meng1.2.1PN結及其單向導電性第二節(jié)．半導體二極管http:101.PN結的形成擴散運動、空間電荷區(qū)、耗盡層、漂移運動、動態(tài)平衡、內建電位差、勢壘區(qū)或阻擋層

（a）（b）圖1.2.1PN結的形成（a）載流子的擴散運動（b）平衡狀態(tài)下的PN結/sundae_meng1.PN結的形成（a112.PN結的單向導電性原理偏置、正向偏置（正偏）、反向偏置（反偏）正向導通、反向截止

（a）（b）圖1.2.2外加電壓時的PN結（a）正偏（b）反偏/sundae_meng2.PN結的單向導電性原理（a）12

PN結正偏時產生較大的正向電流PN結處于導通狀態(tài)。

PN結反偏時產生較小的反向電流，PN結處于截止狀態(tài)。

故PN結具有單向導電性。/sundae_meng/sundae_131.2.2半導體二極管及其基本特性（a）（b）圖1.2.3二極管的結構和符號（a）結構示意圖（b）符號一、二極管的結構與符號/sundae_meng1.2.2半導體二極管及其基本特性（a）14

圖1.2.4二極管的伏安特性曲線

二、二極管（PN結）伏安特性

1、正向特性、

“死區(qū)”、導通電壓或開啟電壓；

室溫下，硅管的Uon≈0.5V，

鍺管的Uon≈0.1V。

管壓降：硅管UD=0.6~0.8V，

鍺管UD=0.1~0.3V

/sundae_meng圖1.2.4二極管的伏安特性曲線

二、二極管（PN結152．反向擊穿特性反向特性、反向飽和電流、反向擊穿電壓?！耠姄舸貉┍罁舸?、齊納擊穿。●熱擊穿需要特別指出的是，普通二極管的反向擊穿電壓較高，一般在幾十伏到幾百伏以上（高反壓管可達幾千伏）。普通二極管在實際應用中不允許工作在反向擊穿區(qū)。/sundae_meng2．反向擊穿特性/s16二極管的伏安特性方程：可近似用PN結的伏安特性方程來表示。理論研究表明，PN結兩端電壓U與流過PN結的電流I之間的關系為（1.2.1）Isat--反向飽和電流UT

=kT/q-溫度電壓當量，其中k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電量。在室溫（27℃或300K）時UT≈26mV。/sundae_meng二極管的伏安特性方程：http://www.docin.co17三、二極管的主要參數(shù)

1、最大整流電流IF：指二極管長期工作時，允許通過管子的最大正向平均電流。

2、最高反向工作電壓UR：

3、反向電流IR：指在室溫下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流。

IR愈小單向導電性愈好。IR與溫度有關（少子運動）

4、最高工作頻率：fM值主要決定于PN結結電容的大小。結電容愈大，則fM愈低。/sundae_meng三、二極管的主要參數(shù)18圖1.2.5穩(wěn)壓二極管的電路符號四．穩(wěn)壓二極管利用二極管的反向擊穿特性，可將二極管做成一種特殊二極管——穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管穩(wěn)壓二極管的電路符號如圖1.2.5所示穩(wěn)壓二極管參數(shù)：穩(wěn)定電壓、穩(wěn)定電流、動態(tài)電阻、額定功耗、穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)。/sundae_meng圖1.2.5穩(wěn)壓二極管的電路符號四．穩(wěn)壓二極管http:19五、二極管的分類及其選擇1．二極管的分類按材料的可分為鍺管和硅管；按功能可分為開關管、整流管、穩(wěn)壓管、變容管、發(fā)光管和光電（敏）管等，普通二極管、特殊二極管；按工作電流可分為小電流管和大電流管；按耐壓高低可分為低壓管和高壓管；按工作頻率高低可分為低頻管和高頻管等。/sundae_meng五、二極管的分類及其選擇http://www.docin202．二極管的選擇（1）

要求導通電壓低時選鍺管；要求反向電流小時選硅管；要求擊穿電壓高時選硅管；要求工作頻率高時選點接觸型高頻管；要求工作環(huán)境溫度高時選硅管。（2）

在修理電子設備時，如果發(fā)現(xiàn)二極管損壞，則用同型號的管子來替換。如果找不到同型號的管子則可改用其他型號二極管來代替，替代管子的極限參數(shù)IF

、UR和

fM應不低于原管，且替代管子的材料類型（硅管或鍺管）一般應和原管相同。/sundae_meng2．二極管的選擇/s211．電容效應二極管除了單向導電性外，還具有電容效應（PN結電容效應），即當其兩端電壓變化時，其存儲的電荷也發(fā)生變化，因此就出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象。按產生的原因不同分為勢壘電容和擴散電容兩種。（1）勢壘電容Cb（2）擴散電容Cd結電容Cj為兩者之和，即Cj=Cb+Cd

正偏時，Cb<<Cd

，結電容Cj以擴散電容為主；反偏時，Cb>>Cd

，Cj主要由勢壘電容決定。1.2.3二極管的電容效應/sundae_meng1．電容效應1.2.3二極管的電容效應http://ww222．變容二極管利用二極管的電容效應，可將二極管做成一種特殊二極管——變容二極管，其電路符號如圖1.2.9所示?！裰饕米骺勺冸娙荩ㄊ茈妷嚎刂疲癖仨毠ぷ髟诜雌珷顟B(tài)●常用于高頻電路中的電調諧電路。圖1.2.6變容二極管的電路符號/sundae_meng2．變容二極管圖1.2.6變容二極管的電路符號http:23

1．光敏特性與光敏二極管半導體具有光敏特性，光照越強，受激產生的電子—空穴對的數(shù)量越多。普通二極管的外殼都是不透光的利用二極管的光敏特性，可制成一種特殊二極管——光敏二極管。光敏二極管又稱光電二極管，屬于光電子器件。為了便于接受光照，光電二極管的管殼上有一個玻璃窗口，讓光線透過窗口照射到PN結的光敏區(qū)。光電二極管的符號如圖1.2.7（a）所示。1.2.4二極管的光電效應/sundae_meng

1．光敏特性與光敏二極管1.2.4二極管的光電效應htt24

（a）（b）圖1.2.7光電二極管的符號與光電特性的測量電路（a）符號（b）光電特性的測量電路

/sundae_meng（a）252．發(fā)光二極管發(fā)光二極管的符號與基本應用電路如圖1.2.8所示。顯然，發(fā)光二極管應工作在正偏狀態(tài)，且當正向電流達到一定值時才能發(fā)出光。（a）（b）圖1.2.8光電二極管的符號與發(fā)光特性的測量電路（a）符號（b）發(fā)光特性的測量電路/sundae_meng2．發(fā)光二極管（a）261.2.5二極管的溫度特性半導體還具有熱敏特性●溫度每升高1℃，正向壓降減小2~2.5mV；●溫度每升高10℃，反向電流約增大一倍。二極管的反向特性受溫度的影響較大溫度對二極管的影響是不可避免的，因為溫度總是存在于器件中存在且經(jīng)常變化的。

/sundae_meng1.2.5二極管的溫度特性http://www.doci27

它有空穴和電子兩種載流子參與導電，故稱雙極型。分為硅管和鍺管；大、中、小功率管；高頻管和低頻管。半導體三極管（簡稱三極管）就是一種能將直流能量轉化為交流能量的器件，這樣的器件也稱為有源器件。第三節(jié)、晶體三極管/sundae_meng它有空穴和電子兩種載流子參與導電，故稱雙極型。第三節(jié)、晶28

半導體三極管又稱為雙極型三極管（BipolarJunctionTransistor，BJT）、晶體三極管，簡稱三極管，是最為常用的一種半導體器件。它是通過一定的工藝，將兩個PN結結合在一起的器件。由于PN結之間的相互影響，使三極管表現(xiàn)出不同于二極管單個PN結的特性而具有電流放大作用，從而使PN結的應用發(fā)生了質的飛躍。本節(jié)將圍繞三極管為什么具有電流放大作用這個核心問題，討論三極管的結構、內部載流子的運動過程以及它的各極電流分配關系。/sundae_meng/sund29

1.3.1三極管的結構與符號

[實物演示]各類三極管及其外形三極管按結構可分為NPN和PNP兩類。三極管的結構：（硅平面型、鍺合金型）三個區(qū)：基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)三個極：基極、發(fā)射極、集電極三個結：發(fā)射結、集電結/sundae_meng/sundae_me30集電極集電結Jc發(fā)射結Je

N基區(qū)P

發(fā)射區(qū)P

發(fā)射區(qū)cc發(fā)射極e基極b（a）結構示意圖（b）符號1.3.2PNP型三極管（a）結構示意圖

（b）符號圖1.3.1NPN型三極管集電結Jc發(fā)射結JeP

基區(qū)N

發(fā)射區(qū)N

發(fā)射區(qū)集電極cc發(fā)射極e基極b/sundae_meng集電極集電結Jc發(fā)射結JeNPP311.3.2三極管放大原理1．三極管的偏置放大電路中的三極管都需要提供直流電源，并得到一個合適的偏置。

/sundae_meng1.3.2三極管放大原理http://www.d32

由于三極管有兩個PN結，所以偏置的方式有四種：發(fā)射結正偏、集電極反偏；發(fā)射極反偏、集電結正偏；二結均正偏；二結均反偏。放大電路中的三極管的偏置應為發(fā)射結正偏、集電結反偏。NPN型三極管，UC>UB>UE

；PNP型三極管，UC<UB<UE。/sundae_meng/sundae_m33（a）（b）圖1.3.3三極管的直流供電電路之一（a）NPN型三極管的直流供電電路（b）PNP型三極管的直流供電電路/sundae_meng（a）34（a）（b）圖1.3.4三極管的直流供電電路之二（a）NPN型三極管的直流供電電路（b）PNP型三極管的直流供電電路/sundae_meng（a）35圖1.3.5NPN三極管內部載流子的運動

2．三極管的電流分配關系/sundae_meng圖1.3.5NPN三極管內部載流子的運動2．三極管的電36半導體三極管內有兩種載流子參于導電，故稱為雙極型三極管（BJT）。圖1.3.6

三極管的電流分配關系/sundae_meng半導體三極管內有兩種載流子參于導電，故稱為雙極型三極管（BJ37由節(jié)點電流定律，有IE

=ICN

＋IBN

（1.3.1a）IB

=IBN

－ICBO

（1.3.1b）IC

=ICN

＋ICBO

（1.3.1c）由上述三式可得IE

=IB

＋IC

（1.3.2）/sundae_meng/sundae_me38定義（1.3.3a）稱為共基極直流電流放大系數(shù)，其值一般在0.95至0.995之間；定義（1.3.3b）稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù),其值一般在幾十至幾百之間。/sundae_meng定義/sundae_39由于ICBO一般很小，若忽略ICBO

，則有IB

≈IBN

（13.4a）IC

≈ICN

（1.3.4b）IE

=ICN

＋IBN=IB

＋IC

（1.3.4c）

（1.3.5a）（1.3.5b）/sundae_meng/sundae_me40

因此，（1.3.6）（1.3.7）且有

(1.3.8a)(1.3.8b)/sundae_meng/sundae_m41

若考慮ICBO，則由式（1.3.1）、（1.3.2）和（1.3.3）得

(1.3.9)上式第二項用ICEO表示，即于是通常稱ICEO為穿透電流，或集電極.發(fā)射極間反向飽和電流。/sundae_meng/sundae_m42管子各極的電流及方向如圖2.1.7所示。PNP型管的各極電流方向與NPN型管相反，但電流分配關系完全相同。三極管三個電極的電流中，IB

最小，IE最大，IC≈IE

,即

IE＞IC＞IB

。

（a）（b）圖1.3.7

三極管各極的電流及方向（a）NPN型（b）PNP型/sundae_meng管子各極的電流及方向如圖2.1.7所示。PNP型管的各極電流431.3.3三極管的共射特性曲線采用共射接法的三極管的特性曲線稱為共射特性曲線。三極管有三個電極，而且還有放大作用，所以它的特性曲線要比二極管復雜的多。常用的是輸入特性曲線和輸出特性曲線。圖1.3.8測量三極管共射特性曲線的電路/sundae_meng1.3.3三極管的共射特性曲線采用共射接法的三極管44

輸入特性曲線反映了三極管輸入端的電流iB和電壓uBE關系，輸出特性曲線則反映了三極管輸出端的電流iC和電壓uCE的關系。

1.共射輸入特性曲線三極管的共射輸入特性曲線表示當管子的輸出電壓uCE為常數(shù)時，輸入電流iB與輸入電壓uBE之間的關系曲線，即

在一般情況下，當uCE較大（大于1V）時，三極管工作在正常放大狀態(tài)，則uCE對iB的影響很小。因此，為使問題簡單化，將只考慮保證uCE始終大于1V，但并不固定uCE為某一數(shù)值，其誤差很小。/sundae_meng輸入特性曲線反映了三極管輸入端的電流iB450.6

圖1.3.9共射輸入特性曲線1V0.5VuCE=0V020406080iB

(mA)20℃uCE(V)圖1.3.9為某硅NPN管的共射輸入特性曲線/sundae_meng0.6圖1.3.9共射輸入特性46

（1）uCE=0V時，相當于c、e極短路，這時三極管可以看為兩個二極管的正向并聯(lián)，因此uCE=0V的輸入特性與二極管的正向特性相似，但更陡一些。（2）隨著uCE的增大，曲線逐漸右移。這是因為隨著uCE的增大，基區(qū)調寬效應使電子在基區(qū)與空穴的復合減少，在相同的uBE下iB減小，曲線右移。（3）uCE≥1V以后各條輸入特性曲線密集在一起，幾乎重合。由于在實際使用時，uCE一般總是大于1V的，因此通常只畫出有用的uCE=1V的那條輸入特性曲線。/sundae_meng（1）uCE=0V時，相當于c、e極短路，這時47(4)一般硅管的│UBE│≈0.7V，鍺管的│UBE│≈0.2V。

(5)輸入特性是非線性的?？傊龢O管的輸入特性曲線與二極管的正向特性相似，因為b、e極間是正向偏置的PN結。/sundae_meng(4)一般硅管的│UBE│≈0.7V，htt482．共射輸出特性曲線

共射組態(tài)時，三極管的輸出電流iC不但取決于輸出電壓uCE

，而且與輸入電流iB有關。三極管的共射輸出特性曲線表示當管子的輸入電流iB為某一常數(shù)時，輸出電流iC與輸出電壓uCE之間的關系曲線，即/sundae_meng2．共射輸出特性曲線49圖1.3.10共射輸出特性曲線ΔiＣ放大區(qū)uCE=uBEΔiBICEO

iC(mA)uCE

(V)02468101024680iB=140μA120μA100μA80μA60μA40μA20μA截止區(qū)飽和區(qū)20℃圖1.3.10為某硅NPN三極管的共射輸出特性曲線/sundae_meng圖1.3.10共射輸出特性曲線ΔiＣ放大區(qū)uCE=uBE50

（1）曲線起始部分較陡，且不同iB曲線的上升部分幾乎重合。這表明uCE很小時，uCE略有增大，iC就很快增加，但iC幾乎不受iB的影響。（2）當uCE較大（如大于1V）后，曲線比較平坦，但略有上翹。（3）輸出特性是非線性的。由共射輸出特性曲線，可以把三極管的工作狀態(tài)分為三個區(qū)域

：截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)/sundae_meng/sun51（1）截止區(qū)

通常把iB=0（此時iC=iE=ICEO）的輸出特性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。截止區(qū)的特點是各極電流均很?。ń咏虻扔诹悖?，此時發(fā)射結和集電結均反偏，三極管失去放大作用且呈高阻狀態(tài)，e、b、c極之間近似看作開路。/sundae_meng/sundae_me52（2）放大區(qū)

放大區(qū)指iB＞0和uCE＞uBE的區(qū)域，粗略看來就是圖2.5.4中曲線的平坦部分。在放大區(qū)，發(fā)射結正偏，集電結反偏。此時由于iC≈βiB，則iC隨時iB而變化，即iC受控于iB（受控特性）；同時iC與uCE基本無關，即iC對uCE而言可近似看成恒流（恒流特性）。由于ΔiC＞＞ΔiB

，所以三極管有電流放大的作用。曲線間的間隔大小反映出β的大小，即管子的電流放大能力。三極管只有工作在放大區(qū)才有放大作用。由于iC受控于iB

，所以三極管是一種電流控制型器件。/sundae_meng（2）放大區(qū)/sun53（

3）飽和區(qū)

飽和區(qū)指uCE＜uBE的區(qū)域，大致是圖2.5.4中曲線靠近縱軸的區(qū)域。在飽和區(qū)，發(fā)射結和集電結均正偏，三極管也失去放大作用，iC=βiB不再成立。這時，iC隨uCE而變化，卻幾乎不受iB控制，即：當uCE一定時，即使iB增加，iC卻幾乎不變，這就是飽和現(xiàn)象。由于三極管飽和時，各極之間電壓很小，而電流卻較大，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，故各極之間可近似看成短路。/sundae_meng（

3）飽和區(qū)/su54

飽和時的uCE稱飽和壓降，用UCE（sat）表示。小功率硅管│UCE（sat）│≈0.3V；小功率鍺管│UCE（sat）│≈0.1V；大功率硅管│UCE（sat）│＞1V。

uCE=uBE（即uCB=0，集電結零偏）時的狀態(tài)稱臨界飽和，見圖1.3.10中的虛線，此線稱臨界飽和線。臨界飽和線是飽和區(qū)和放大區(qū)的分界線，該線左方區(qū)域的uCE＜uBE（或uCB＜0），稱為過飽和。應當指出，當uCE增大到某一值時，iC將急劇增加，這時三極管發(fā)生擊穿，擊穿電壓隨iB的增加而減小。（未畫）

PNP型管的特性曲線是“倒置”的。/sundae_meng飽和時的uCE稱飽和壓降，用UCE（sat）55

半導體器件是組成各種電子電路——包括模擬電路和數(shù)字電路，分立元件電路和集成電路的基礎。本章討論半導體的特性，PN結的單向導電性，二極管、三極管、場效應管的結構，工作原理，特性曲線和主要參數(shù)第1章．半導體器件/sundae_meng第1章．半導體器件http://www.doc56

物質可分為：導體：<=10-4Ω.cm

如：銅，銀，鋁絕緣體：=109Ω.cm

如：橡膠，塑料半導體其導電能力介于上面兩者之間，一般為四價元素的物質，即原子最外層的軌道上均有四個價電子,所以稱它們?yōu)?價元素。半導體有：元素半導體：硅（Si）、鍺（Ge）等；化合物半導體：砷化鎵（GaAs）等第一節(jié)．半導體的特性/sundae_meng物質可分為：第一節(jié)．半導體的特性http://www.57原子結構的簡化模型圖1.1.1硅或鍺的簡化原子結構模型圖1.1.2硅或鍺晶體的共價健結構示意圖/sundae_meng原子結構的簡化模型圖1.1.1硅或鍺的圖1.1.2硅或58●本征半導體通常把非常純凈的、幾乎不含雜質的且結構完整的半導體晶體稱為本征半導體。在T=0K（相當于—273oC）時半導體不導電，如同絕緣體一樣。如溫度升高，如在室溫條件下，將有少數(shù)價電子獲得足夠的能量，以克服共價鍵的束縛而成為自由電子，其載流子的數(shù)量很少（自由電子的數(shù)量）導電能力很弱。1.1.1本征半導體/sundae_meng1.1.1本征半導體http://www.docin.c59束縛電子本征激發(fā)空穴、電子對兩種載流子：電子與空穴載流子產生與復合動態(tài)平衡載流子濃度與T有關圖1.1.3本征激發(fā)現(xiàn)象/sundae_meng束縛電子圖1.1.3本征激發(fā)現(xiàn)象http://www.d60

在本征半導體中摻入少量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著的改變。根據(jù)摻入雜質的化合價的不同，雜質半導體分為:N型半導體和P型半導體兩大類。一．N型半導體：

在4價硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質元素，如磷，銻，砷等。1.1.2雜質半導體/sundae_meng1.1.2雜質半導體http://www.docin.co61施主雜質、多數(shù)載流子（多子）、少數(shù)載流子（少子）、電子型半導體

（a）（b）圖1.1.4N型半導體（a）結構示意圖（b）離子和載流子（不計本征激發(fā)）/sundae_meng施主雜質、多數(shù)載流子（多子）、少數(shù)載流子（少子）、62受主雜質、多子、少子、空穴型半導體

（a）（b）圖1.1.5P型半導體（a）結構示意圖（b）離子和載流子（不計本征激發(fā)）二．P型半導體：在4價硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質元素，如硼，錫，銦等。

/sundae_meng（63

N半導體、P半導體電中性

半導體的特性：

1、熱敏性

2、摻雜性

3、光敏性/sundae_mengN半導體、P半導體電中性

641.2.1PN結及其單向導電性

單純的P型或N型半導體，僅僅是導電能力增強了，因此它還不是電子線路中所需要的半導體器件。若在一塊本征半導體上，兩邊摻入不同的雜質，使一邊成為P型半導體，另一邊成為N型半導體，則在兩種半導體的交界面附近形成一層很薄的特殊導電層——PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。第二節(jié)．半導體二極管/sundae_meng1.2.1PN結及其單向導電性第二節(jié)．半導體二極管http:651.PN結的形成擴散運動、空間電荷區(qū)、耗盡層、漂移運動、動態(tài)平衡、內建電位差、勢壘區(qū)或阻擋層

（a）（b）圖1.2.1PN結的形成（a）載流子的擴散運動（b）平衡狀態(tài)下的PN結/sundae_meng1.PN結的形成（a662.PN結的單向導電性原理偏置、正向偏置（正偏）、反向偏置（反偏）正向導通、反向截止

（a）（b）圖1.2.2外加電壓時的PN結（a）正偏（b）反偏/sundae_meng2.PN結的單向導電性原理（a）67

PN結正偏時產生較大的正向電流PN結處于導通狀態(tài)。

PN結反偏時產生較小的反向電流，PN結處于截止狀態(tài)。

故PN結具有單向導電性。/sundae_meng/sundae_681.2.2半導體二極管及其基本特性（a）（b）圖1.2.3二極管的結構和符號（a）結構示意圖（b）符號一、二極管的結構與符號/sundae_meng1.2.2半導體二極管及其基本特性（a）69

圖1.2.4二極管的伏安特性曲線

二、二極管（PN結）伏安特性

1、正向特性、

“死區(qū)”、導通電壓或開啟電壓；

室溫下，硅管的Uon≈0.5V，

鍺管的Uon≈0.1V。

管壓降：硅管UD=0.6~0.8V，

鍺管UD=0.1~0.3V

/sundae_meng圖1.2.4二極管的伏安特性曲線

二、二極管（PN結702．反向擊穿特性反向特性、反向飽和電流、反向擊穿電壓?！耠姄舸貉┍罁舸?、齊納擊穿?！駸釗舸┬枰貏e指出的是，普通二極管的反向擊穿電壓較高，一般在幾十伏到幾百伏以上（高反壓管可達幾千伏）。普通二極管在實際應用中不允許工作在反向擊穿區(qū)。/sundae_meng2．反向擊穿特性/s71二極管的伏安特性方程：可近似用PN結的伏安特性方程來表示。理論研究表明，PN結兩端電壓U與流過PN結的電流I之間的關系為（1.2.1）Isat--反向飽和電流UT

=kT/q-溫度電壓當量，其中k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電量。在室溫（27℃或300K）時UT≈26mV。/sundae_meng二極管的伏安特性方程：http://www.docin.co72三、二極管的主要參數(shù)

1、最大整流電流IF：指二極管長期工作時，允許通過管子的最大正向平均電流。

2、最高反向工作電壓UR：

3、反向電流IR：指在室溫下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流。

IR愈小單向導電性愈好。IR與溫度有關（少子運動）

4、最高工作頻率：fM值主要決定于PN結結電容的大小。結電容愈大，則fM愈低。/sundae_meng三、二極管的主要參數(shù)73圖1.2.5穩(wěn)壓二極管的電路符號四．穩(wěn)壓二極管利用二極管的反向擊穿特性，可將二極管做成一種特殊二極管——穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管穩(wěn)壓二極管的電路符號如圖1.2.5所示穩(wěn)壓二極管參數(shù)：穩(wěn)定電壓、穩(wěn)定電流、動態(tài)電阻、額定功耗、穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)。/sundae_meng圖1.2.5穩(wěn)壓二極管的電路符號四．穩(wěn)壓二極管http:74五、二極管的分類及其選擇1．二極管的分類按材料的可分為鍺管和硅管；按功能可分為開關管、整流管、穩(wěn)壓管、變容管、發(fā)光管和光電（敏）管等，普通二極管、特殊二極管；按工作電流可分為小電流管和大電流管；按耐壓高低可分為低壓管和高壓管；按工作頻率高低可分為低頻管和高頻管等。/sundae_meng五、二極管的分類及其選擇http://www.docin752．二極管的選擇（1）

要求導通電壓低時選鍺管；要求反向電流小時選硅管；要求擊穿電壓高時選硅管；要求工作頻率高時選點接觸型高頻管；要求工作環(huán)境溫度高時選硅管。（2）

在修理電子設備時，如果發(fā)現(xiàn)二極管損壞，則用同型號的管子來替換。如果找不到同型號的管子則可改用其他型號二極管來代替，替代管子的極限參數(shù)IF

、UR和

fM應不低于原管，且替代管子的材料類型（硅管或鍺管）一般應和原管相同。/sundae_meng2．二極管的選擇/s761．電容效應二極管除了單向導電性外，還具有電容效應（PN結電容效應），即當其兩端電壓變化時，其存儲的電荷也發(fā)生變化，因此就出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象。按產生的原因不同分為勢壘電容和擴散電容兩種。（1）勢壘電容Cb（2）擴散電容Cd結電容Cj為兩者之和，即Cj=Cb+Cd

正偏時，Cb<<Cd

，結電容Cj以擴散電容為主；反偏時，Cb>>Cd

，Cj主要由勢壘電容決定。1.2.3二極管的電容效應/sundae_meng1．電容效應1.2.3二極管的電容效應http://ww772．變容二極管利用二極管的電容效應，可將二極管做成一種特殊二極管——變容二極管，其電路符號如圖1.2.9所示。●主要用作可變電容（受電壓控制）●必須工作在反偏狀態(tài)●常用于高頻電路中的電調諧電路。圖1.2.6變容二極管的電路符號/sundae_meng2．變容二極管圖1.2.6變容二極管的電路符號http:78

1．光敏特性與光敏二極管半導體具有光敏特性，光照越強，受激產生的電子—空穴對的數(shù)量越多。普通二極管的外殼都是不透光的利用二極管的光敏特性，可制成一種特殊二極管——光敏二極管。光敏二極管又稱光電二極管，屬于光電子器件。為了便于接受光照，光電二極管的管殼上有一個玻璃窗口，讓光線透過窗口照射到PN結的光敏區(qū)。光電二極管的符號如圖1.2.7（a）所示。1.2.4二極管的光電效應/sundae_meng

1．光敏特性與光敏二極管1.2.4二極管的光電效應htt79

（a）（b）圖1.2.7光電二極管的符號與光電特性的測量電路（a）符號（b）光電特性的測量電路

/sundae_meng（a）802．發(fā)光二極管發(fā)光二極管的符號與基本應用電路如圖1.2.8所示。顯然，發(fā)光二極管應工作在正偏狀態(tài)，且當正向電流達到一定值時才能發(fā)出光。（a）（b）圖1.2.8光電二極管的符號與發(fā)光特性的測量電路（a）符號（b）發(fā)光特性的測量電路/sundae_meng2．發(fā)光二極管（a）811.2.5二極管的溫度特性半導體還具有熱敏特性●溫度每升高1℃，正向壓降減小2~2.5mV；●溫度每升高10℃，反向電流約增大一倍。二極管的反向特性受溫度的影響較大溫度對二極管的影響是不可避免的，因為溫度總是存在于器件中存在且經(jīng)常變化的。

/sundae_meng1.2.5二極管的溫度特性http://www.doci82

它有空穴和電子兩種載流子參與導電，故稱雙極型。分為硅管和鍺管；大、中、小功率管；高頻管和低頻管。半導體三極管（簡稱三極管）就是一種能將直流能量轉化為交流能量的器件，這樣的器件也稱為有源器件。第三節(jié)、晶體三極管/sundae_meng它有空穴和電子兩種載流子參與導電，故稱雙極型。第三節(jié)、晶83

半導體三極管又稱為雙極型三極管（BipolarJunctionTransistor，BJT）、晶體三極管，簡稱三極管，是最為常用的一種半導體器件。它是通過一定的工藝，將兩個PN結結合在一起的器件。由于PN結之間的相互影響，使三極管表現(xiàn)出不同于二極管單個PN結的特性而具有電流放大作用，從而使PN結的應用發(fā)生了質的飛躍。本節(jié)將圍繞三極管為什么具有電流放大作用這個核心問題，討論三極管的結構、內部載流子的運動過程以及它的各極電流分配關系。/sundae_meng/sund84

1.3.1三極管的結構與符號

[實物演示]各類三極管及其外形三極管按結構可分為NPN和PNP兩類。三極管的結構：（硅平面型、鍺合金型）三個區(qū)：基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)三個極：基極、發(fā)射極、集電極三個結：發(fā)射結、集電結/sundae_meng/sundae_me85集電極集電結Jc發(fā)射結Je

N基區(qū)P

發(fā)射區(qū)P

發(fā)射區(qū)cc發(fā)射極e基極b（a）結構示意圖（b）符號1.3.2PNP型三極管（a）結構示意圖

（b）符號圖1.3.1NPN型三極管集電結Jc發(fā)射結JeP

基區(qū)N

發(fā)射區(qū)N

發(fā)射區(qū)集電極cc發(fā)射極e基極b/sundae_meng集電極集電結Jc發(fā)射結JeNPP861.3.2三極管放大原理1．三極管的偏置放大電路中的三極管都需要提供直流電源，并得到一個合適的偏置。

/sundae_meng1.3.2三極管放大原理http://www.d87

由于三極管有兩個PN結，所以偏置的方式有四種：發(fā)射結正偏、集電極反偏；發(fā)射極反偏、集電結正偏；二結均正偏；二結均反偏。放大電路中的三極管的偏置應為發(fā)射結正偏、集電結反偏。NPN型三極管，UC>UB>UE

；PNP型三極管，UC<UB<UE。/sundae_meng/sundae_m88（a）（b）圖1.3.3三極管的直流供電電路之一（a）NPN型三極管的直流供電電路（b）PNP型三極管的直流供電電路/sundae_meng（a）89（a）（b）圖1.3.4三極管的直流供電電路之二（a）NPN型三極管的直流供電電路（b）PNP型三極管的直流供電電路/sundae_meng（a）90圖1.3.5NPN三極管內部載流子的運動

2．三極管的電流分配關系/sundae_meng圖1.3.5NPN三極管內部載流子的運動2．三極管的電91半導體三極管內有兩種載流子參于導電，故稱為雙極型三極管（BJT）。圖1.3.6

三極管的電流分配關系/sundae_meng半導體三極管內有兩種載流子參于導電，故稱為雙極型三極管（BJ92由節(jié)點電流定律，有IE

=ICN

＋IBN

（1.3.1a）IB

=IBN

－ICBO

（1.3.1b）IC

=ICN

＋ICBO

（1.3.1c）由上述三式可得IE

=IB

＋IC

（1.3.2）/sundae_meng/sundae_me93定義（1.3.3a）稱為共基極直流電流放大系數(shù)，其值一般在0.95至0.995之間；定義（1.3.3b）稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù),其值一般在幾十至幾百之間。/sundae_meng定義/sundae_94由于ICBO一般很小，若忽略ICBO

，則有IB

≈IBN

（13.4a）IC

≈ICN

（1.3.4b）IE

=ICN

＋IBN=IB

＋IC

（1.3.4c）

（1.3.5a）（1.3.5b）/sundae_meng/sundae_me95

因此，（1.3.6）（1.3.7）且有

(1.3.8a)(1.3.8b)/sundae_meng/sundae_m96

若考慮ICBO，則由式（1.3.1）、（1.3.2）和（1.3.3）得

(1.3.9)上式第二項用ICEO表示，即于是通常稱ICEO為穿透電流，或集電極.發(fā)射極間反向飽和電流。/sundae_meng/sundae_m97管子各極的電流及方向如圖2.1.7所示。PNP型管的各極電流方向與NPN型管相反，但電流分配關系完全相同。三極管三個電極的電流中，IB

最小，IE最大，IC≈IE

,即

IE＞IC＞IB

。

（a）（b）圖1.3.7

三極管各極的電流及方向（a）NPN型（b）PNP型/sundae_meng管子各極的電流及方向如圖2.1.7所示。PNP型管的各極電流981.3.3三極管的共射特性曲線采用共射接法的三極管的特性曲線稱為共射特性曲線。三極管有三個電極，而且還有放大作用，所以它的特性曲線要比二極管復雜的多。常用的是輸入特性曲線和輸出特性曲線。圖1.3.8測量三極管共射特性曲線的電路/sundae_meng1.3.3三極管的共射特性曲線采用共射接法的三極管99

輸入特性曲線反映了三極管輸入端的電流iB和電壓uBE關系，輸出特性曲線則反映了三極管輸出端的電流iC和電壓uCE的關系。

1.共射輸入特性曲線三極管的共射輸入特性曲線表示當管子的輸出電壓uCE為常數(shù)時，輸入電流iB與輸入電壓uBE之間的關系曲線，即

在一般情況下，當uCE較大（大于1V）時，三極管工作在正常放大狀態(tài)，則uCE對iB的影響很小。因此，為使問題簡單化，將只考慮保證uCE始終大于1V，但并不固定uCE為某一數(shù)值，其誤差很小。/sundae_meng輸入特性曲線反映了三極管輸入端的電流iB1000.6

圖1.3.9共射輸入特性曲線1V0.5VuCE=0V020406080iB

(mA)20℃uCE(V)圖1.3.9為某硅NPN管的共射輸入特性曲線/sundae_meng0.6圖1.3.9共射輸入特性101

（1）uCE=0V時，相當于c、e極短路，這時三極管可以看為兩個二極管的正向并聯(lián)