第六章半导体器件的基本特性第一节半导体基础知识 6.1.1 本征半导体 6.1.2 杂质半导体第二节 PN 结及半导体二极管

电路与电子技术基础


第六章半导体器件的基本特性

第六章半导体器件的基本特性第一节半导体基础知识 6.1.1 本征半导体 6.1.2 杂质半导体第二节 PN 结及半导体二极管 6.2.1 异型半导体的接触现象 6.2.2 PN 结的单向导电特性 6.2.3 半导体二极管 6.2.4 半导体二极管的应用第三节半导体晶体管 6.3.1 晶体管的结构及类型 6.3.2 晶体管的放大作用 6.3.3 晶体管的特性曲线 6.3.4 晶体管的主要参数




第一节半导体基础知识按导电的性能可以将物质分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电性能取决于物质的原子结构。我们所关心的不是半导体的导电性，而是它的原子结构。1. 本征半导体 (intrinsic semiconductor)完全纯净的、结构完整的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅(Si—Silicon) 和锗 (Ge—Germaniun) 。

-4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

共价键

价电子

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

自由电子

空穴

载流子形成与复合：价电子获得能量后摆脱原子核的束缚成为自由电子、空穴对，当自由电子填补空穴后就是复合。本征半导体载流子的浓度，除与半导体材料本身性质有关外，还与温度有关，且 ni=pi 。




2. 杂质半导体 (impurity semiconductor)本征半导体中的载流子浓度很低，导电性能也很弱，掺入少量杂质，其导电性能将发生质的变化。

+4

+4

+4

+4

+5

+4

+4

+4

+4

自由电子

施主原子

22iiiinn pnpnpn

(1)N 型半导体 (N -type semiconductor)在半导体中掺入 5 价元素，多出的电子不受共价键的约束，仅受到自身原子核的约束，所以只要得到较少的能量就可以成为自由电子。同时，还会有些价电子摆脱共价键约束，形成电子空穴对。显然，在这种杂质的半导体中自由电子的浓度远远大于空穴浓度。即nn>>pn 故导电主要靠自由电子。自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。多数载流子的浓度取决于掺杂的浓度，少数载流子是半导体材料共价键提供的，主要取决于温度。可以证明电子与空穴的浓度有如下关系：

根据原子理论中的“不相容”原理 -- 同一能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子和贾米 · 狄拉克分布函数可以证明以上等式。




(2)P 型半导体 (P -type semiconductor)在半导体中掺入 3 价元素，当它与周围的锗原子组成共价键时，在缺少电子的地方形成一个空穴。其它共价键的电子只需较小的能量就可以摆脱原子核束缚移到此空穴，从而形成新的空穴。显然在这种掺杂半导体中，空穴的浓度大于自由电子的浓度，所以多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子。 pp>>np

+4

+4

+4

+4

+3

+4

+4

+4

+4

受主原子

空穴




第二节 PN 结及半导体二极管在一块本征半导体上，用工艺的办法使一边形成 N 型半导体，另一边形成 P 型半导体，则在两种半导体的交界处形成一个 P-N 结。 P-N 结是一切半导体器件的基础。1. 异型半导体的接触现象扩散扩散—浓度差异导致的载流子移动

P 区 N 区

自建场

耗尽区P 区空间电荷区 N 区

2. PN 结的单向导电特性漂移漂移—在电场作用下载流子的定向移动

U R + -

自建场I

外电场

P 区 N 区

U R - +

自建场 I

外电场

P 区 N 区




3. 半导体二极管 (1) 半导体二极管的结构

金属触丝 N 型锗片

阳极引线阴极引线

外壳(a) 点接触型

阳极引线二氧化硅保护层

P 型硅

阴极引线 (b) 平面型

N 型硅

铝合金小球阳极引线 PN 结 N 型硅金锑合金

底座

阴极引线

(c) 面接触型

阳极阴极

(d) 符号




(2) 半导体二极管的伏安特性 I(mA)

20

10

-40 -20

0 0.4 0.8 U(V) -10 -20 (nA)

(a) 硅二极管的伏安特性曲线

I(mA)

20

10

-60 -30

0 0.2 0.4 U(V) -10

-20 (μA) (b) 锗二极管的伏安特性曲线

正向特性：门限电压 Uon ，硅 0.6~0.8V ；锗 0.1~0.3V反向特性：反向饱和电流，一般很小。硅 nA 级，锗 μA 级击穿特性：反向电压达到某一值后，二极管的电流急剧增加，根据击穿的内部机制分为雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿：低浓度掺杂，在强电场作用，获得能量的自由电子与原子发生碰撞将价电子“打”出共价键，形成更多的载流子；齐纳击穿：高浓度掺杂，阻挡层很窄，无足够加速空间，但很窄空间形成的强电场可以将价电子直接“拉”出来，使电流急剧增加。




(3) 半导体二极管的主要参数

① 最大整流电流 IF 。二极管允许通过的最大正向平均电流。如果电流长时间电流超过此值，二极管会因过热而烧坏。此值取决于结面积、材料和散热情况。② 最大反向工作电压 UR 。二极管允许的最大反向工作电压。当反向电压超过此值就可能被击穿。③ 反向电流 IR 。二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好。④ 最高工作频率 fM 。此值的大小主要取决于结电容的大小。结电容越大，允许工作频率越低。⑤ 二极管的直流电阻 RD 。二极管两端电压与流过二极管中电流之比。⑥ 二极管的交流电阻 rd 。二极管两端电压变化量与流过二极管中电流变化量之比。 I (mA)

rd

80 60 ΔI40 Q ΔU20 0 U 1 2 (V)

I (mA) RD

80 Q 604020 0 U 1 UF 2 (V)

IF




(4) 特殊二极管① 稳压二极管工作原理：稳压二极管工作在 PN 结的击穿区。在击穿区电压的微小变化会引起电流较大范围的变化，利用这一特性可以起到稳定输出电压的目的。注意事项： 1.稳压管工作在反向击穿区，因此电源正极接 N 、负极接 P ； 2.稳压管与负载并联； 3. 在稳压电路中必须有限流措施。稳压原理：

IR

+ R IL

Ui DZ RL

IZ

_

I

+

0 U -

ΔU

ΔI

UO

主要参数：1. 稳定电压 UZ ：工作在击穿区时的稳定工作电压。是稳压管的关键参数。2. 稳定电流 IZ ：稳压管正常工作时要求的最小电流。稳压管工作电流通常大于此电流值。3. 动态电阻 rz ：稳压管工作在稳压区时两端电压变化量与电流变化量之比，此值越小，说明稳压性能越好。4. 额定功率 Pz ：是保证稳压管正常工作的关键参数。5. 稳压温度系数 αz ：描述稳压管的稳定电压随温度而改变情况，一般 UZ>7V具有正温度系数，在 4~7V之间温度系数为负。




② 变容二极管变容二极管主要是利用 PN 结内耗尽层的空间电荷引起的。由于在耗尽层内 N 区积聚了正电荷， P区积聚了负电荷，形成了与平板电容器结构相似的形式。当外加电压变化时，空间电荷的增加和减少相当于平板电容的冲放电。因此显示了电容效应。变容二极管就是利用这一特点而制造的。自建场

平衡时阻挡层形成

耗尽区P 区空间电荷区 N区

③ 光电二极管利用某些对光敏感的半导体制成的二极管。光的强弱会引起反向电流的变化，换句话说，反向电流的大小，表明了外界光的强弱。

I(μA)

-10 –8 –6 –4 –2 无光照 0 U(V)照度 -50增大

a

k

a

k

I

受光面




④ 发光二极管

发光二极管是利用某些材料有电流流过时会发出不同波长的光而制成的。发光二极管经常用来作为指示、装饰等显示作用，在产品设计中经常使用到。




4. 半导体二极管的应用二极管的应用范围很广，利用二极管的单相导电特性，可组成整流、检波、钳位、限幅、开关等电路。利用二极管的其他特性，可使其应用在稳压、变容、温度补偿等方面。

(1) 整流电路 u2

0 T/2 T 3T/2 2T t

T D

+ io

+ + ~220V u2 RL uo

- - -

半波整流

uo,io

0 T/2 T 3T/2 2T t

T a

+ + D4 D1

~220V u2 c b - io

- D3 D2 + d uo

-

桥式整流

uo,io

0 T/2 T 3T/2 2T t




(2) 二极管限幅电路二极管限幅电路主要作用是限制输出电压幅度，以适应不同要求，特别是经常用于保护电路中的器件。

+ R + D1 D2

ui uo

5V 5V - -

ui

5V

0 t-5V uo

5V

0 t-5V




第三节半导体三极管三极管是组成各种电子电路的核心器件。外形如图。

1. 三极管的结构及类型用工艺的办法将两个 PN 结背靠背地连接起来组成三极管。如果将两个二极管背靠背地连接起来会怎样呢？

c b

几微米

几百微米

e

N

NP

集电极 c

集电结 c c 集电区 b b基极 b 基区

发射区发射结 e e

发射极 e

N

N

P

NPN 型 PNP型

3AD10




2. 三极管的放大作用为了分析理解方便，我们均以 NPN 管为例， PNP 管的工作原理与之完全相同。内部结构： ①发射区重掺杂。作用是向基区注入载流子。 ②基区低掺杂且很薄。作用是传输控制载流子。 ③集电区面积很大。作用是收集载流子。外部条件：外部电源应保证发射结处于正向偏置，集电结反向偏置。(1) 载流子传输过程① 发射。由于发射结正向偏置，发射区的多数载流子 -- 电子注入到基区，形成发射极电流 IE 。当然也有基区空穴向发射区扩散，只是这部分电流很小，一般忽略不计。② 扩散与复合。从发射区注入基区的电子，在发射结附近浓度很高，由于集电结反向偏置，在集电结处的电子几乎为 0 ，浓度差将使注入到基区的电子向集电结扩散。在扩散的过程中，有一部分电子将与基区的空穴复合，形成基极电流 IBN 。由于基区掺杂浓度低且很薄，所以复合电子数很少，大部分电子扩散到集电结处。③ 收集。由于集电结反向偏置，扩散到集电结处的电子将在反向偏置的作用下很快漂移到集电区，被集电区收集，形成电流 ICN 。此外，由于集电结反向偏置，集电区与基区的少数载流子会形成反向饱和电流 ICBO

Ic c ICN Rc

ICBO N

b UCC P IB IBN

RB IE N

UBB

IE e




(2) 电流分配

BCE

CBOBNB

CBOCNC

IIIIIIIII

三极管实质上是一个电流分配器，它把发射极注入的电子按一定比例分配给集电极和基极。晶体管制成以后，这种比例就确定了。用一组参数来描述这种分配规律。共基极直流电流放大系数：

E

C

II

E

CBOC

E

CN

I

I

I

II

I

ICBOC

CBOBCBCE

CBOCE

E

CBOC

IIIIII

III

I

II

1

1

1化简得代入

得由

CBOBC III )1(1

则令

发射极直流放大系数：

Ic c ICN Rc

ICBO N

b UCC P IB IBN

RB IE N

UBB

IE e




若三极管基极开路，则 IB=0 ，故有：CEOCBOC III )1(

ICEO 为基极开路三极管的集电极电流，常称为穿透电流。

CEOBC III

B

C

B

CEOC

I

I

I

II

交流放大系数是指电流变化量之比。

E

C

I

I

B

C

I

I

。，在大多数情况下特性。反映动态时的电流放大与特性；反映静态时的电流放大与

的意义不同。与；与注意：




3. 三极管的三种连接方式三极管共有三个极，输入、输出各一个极，第三个极是输入、输出回路的公共端，根据公共端的不同，三极管的可以分为共基极、发射极和集电极三种连接方式。

Ie Ic c e b Ic b Iee c Ib Ib

Ib b Ie e Ic c

(a) 共基极 (b) 共发射极 (c) 共集电极




4. 三极管的特性曲线三极管外部极间电压与电流的相互关系称为三极管的特性曲线。特性曲线比较直观地反映了各极电压与电流之间的关系。(1)输入特性即在 UCE 不变时，输入回路的 IB 与电压 UBE之间的关系曲线。

常数CEUBEB UfI

iC

iB

RC RB

iE UCC

UBB

ib/μA

0 0.2 0.4 0.6 0.8 UBE

输入特性

UCE=0VUCE≥1V

80604020




ic(mA) 放大区饱和区 IB=60μA

IB=50μA

IB=40μA IB=30μA

IB=20μA IB=10μA IB=0

0 UCE

截止区输出特性

(2)输出特性即在 IB 一定时，输出回路的 IC 与电压 UCE之间的关系曲线。常数

BICEC UfI

IB 一定时，对应一族输出曲线中的一条。该条曲线分为三阶段：上升、转折和平坦。当 UCE 很小时，集电区收集电子的能力不够，UCE 的改变对 IC影响很大。当 UCE>1V 后，集电区收集电子能力恢复正常， UCE再增加， IC

的增加趋势减缓。当 UCE增大到一定程度以后，几乎所以的电子都被集电区收集，所以增加 U

CE 时， IC几乎不变。三极管的输出特性曲线是一族曲线，这一族曲线分为三个区：放大区、饱和区和截止区。放大区：特性曲线平坦部分。在此区域 IC=βIB 。模拟电子技术中，三极管主要工作在此区域。饱和区和截止区：在这两个区域 IC≠βIB 。数字电子技术中的三极管主要工作在此区域。注意：特性曲线随温度的变化而变化。




5. 三极管的的主要参数

①电流放大系数 β 、 β②极间反向电流 ICBO 、 ICEO 。 ICEO=（ 1+β） ICBO

③特征频率 fT 。④集电极允许最大电流 ICM 。⑤极间反向击穿电压。UCBO— 发射极开路时，集电极 - 基极间的反向击穿电压。UCEO— 基极开路时，集电极 - 发射极间的反向击穿电压。UCER— 基极与发射极间有电阻 R 时，集电极 - 发射极间的反向击穿电压。UCES— 基极与发射极短路时，集电极 - 发射极间的反向击穿电压。UEBO—集电极开路时，发射极 - 基极间的反向击穿电压。一般较小，仅有几伏左右。上述电压一般存在如下关系 UCBO>UCES>UCER>UCEO

由于 UCEO 最小，因此使用时使 UCE<UCEO 即可安全工作。 ⑥集电极最大允许功率 PCM

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第六章 半导体器件的基本特性 第一节 半导体基础知识 6.1.1 本征半导体 6.1.2 杂质半导体 第二节 PN 结及半导体二极管

第六章半导体器件的基本特性第一节半导体基础知识 6.1.1 本征半导体 6.1.2 杂质半导体第二节 PN 结及半导体二极管