第一章 半导体器件
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半导体基础知识
D
G
S 图 P 沟道结型场效应管结构图
S 符号
二、工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电
流 ID 的。
耗尽层
D 漏极
*在栅极和源极之间
加反向电压，耗尽层会变
栅极
G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
S 源极
宽，导电沟道宽度减小， 使沟道本身的电阻值增大， 漏极电流 ID 减小，反之， 漏极 ID 电流将增加。
e
e
图 三极管中的两个 PN 结
c
三极管内部结构要求：
N
b
PP
NN
1. 发射区高掺杂。
2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米，而且掺杂较 少。
3. 集电结面积大。
e
三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。
三极管中载流子运动过程
c
Rc
IB
I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
2. 反向特性 二极管加反向电压，反 向电流很小； 当电压超过零点几伏后， 反向电流不随电压增加而增
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04
反向饱 和电流
大，即饱和；
反向特性
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
G
S 图 P 沟道结型场效应管结构图
S 符号
二、工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电
流 ID 的。
耗尽层
D 漏极
*在栅极和源极之间
加反向电压，耗尽层会变
栅极
G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
S 源极
宽，导电沟道宽度减小， 使沟道本身的电阻值增大， 漏极电流 ID 减小，反之， 漏极 ID 电流将增加。
e
e
图 三极管中的两个 PN 结
c
三极管内部结构要求：
N
b
PP
NN
1. 发射区高掺杂。
2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米，而且掺杂较 少。
3. 集电结面积大。
e
三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。
三极管中载流子运动过程
c
Rc
IB
I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
2. 反向特性 二极管加反向电压，反 向电流很小； 当电压超过零点几伏后， 反向电流不随电压增加而增
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04
反向饱 和电流
大，即饱和；
反向特性
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
半导体基础知识
第一章、半导体器件
1、为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？
制成本征半导体是为了讲自然界中的半导体材料进行提纯，然后人工掺杂，通过控制掺杂的浓度就可以控制半导体的导电性，以达到人们的需求
2、为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？
导致半导体性能温度稳定性差的主要原因有二：β
（1）禁带宽度与温度有关（一般，随着温度的升高而变窄）；（2）少数载流子浓度与温度有关（随着温度的升高而指数式增加）。
多子。
3、为什么半导体器件有最高工作频率？
这是因为半导体器件的主要组成单元是PN结，PN结的显著特征是单向导电性，因为PN结的反向截止区是由耗尽层变宽导致截止，而这个过程是需要一定的时间的，如果频率太高导致时间周期小于截止时间就可能造成PN结失去单向导电性，导致半导体器件不能正常工作，所以半导体器件有最高工作频率的限制。
4、整流，是指将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这正变换的功率流向是由电源传向负载，称之为整流。
5、为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？
虽然集电结是反偏的，虽然基极是开路的，但是，晶体管芯，是块半导体材料。
半导体材料，又不是绝缘体，加上电压，就有微弱的电流，这很正常。
从集电区向基区出现的“反向饱和电流Icbo”，在基极没有出路，就流向发射极了。
这一流动，就形成了一个Ib。
这个Ib，就引出了一个贝塔倍的Ic; 这个Ib和Ic之和，就是穿透电流Iceo，等于(1+贝塔)Icbo。
6、
展开。
模拟电子技术基础简明教程-(第三版)第一章
(a)外形图
21
(b)符号
第二节 半导体二极管
半导体二极管的类型： 按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。 按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型二极管。 点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容
小，可在高频下工作。 面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流
大，但只能在较低频率下工作。 按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压
O
U
图 1.2.8
30
第二节 半导体二极管
2. 扩散电容 Cd
P区 耗 尽 层 N 区
是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。+ I
V P 区中电子
－ R
N 区中空穴
浓 度 分布
浓 度 分布
x
Ln
Lp
在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N
区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。
路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处
于截止状态。
PN 结具有单向导电性。
正向偏置:
电源正极接P区，负极接N区，即“P正N负” 反向偏置:
电源正极接N区2，0 负极接P区，即“P负N正”
第二节 半导体二极管
2 二极管的伏安特性
半导体二极管又称晶体二极管。 二极管的结构： 将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再 从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。
28
第二节 半导体二极管
二极管的电容效应
当二极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的 电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。
电容效应包括两部分 势垒电容 扩散电容
1. 势垒电容
是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。
第1章常用半导体器件
ui=0时直流电源作用
根据电流方程，rd
uD iD
UT ID
小信号作用
Q越高，rd越小。 静态电流
3. 二极管电路应用举例
（1）开关电路（掌握）
方法：假设法，将D管断开 原则一：单向导电性
阳极 a
k 阴极
D
V阳>V阴，D管正偏，导通 V阳< V阴，D管反偏，截止
原则二：优先导通原则（多二极管电路中）
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高
于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。
2
98 0.98
100
综上所述，实现晶体三极管放大作用的 两个条件是：
（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区 杂质浓度，且基区很薄。
（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反 向偏置。
正偏电压工作，通电流→发光，电信号→光信号 光颜色：红、橙、黄、绿（与材料磷、砷、镓、化有关）
3. 激光二极管
（a）物理结构 （b）符号
发光二极管
光电二极管
一、晶体管的结构及类型 二、晶体管的电流放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数
三极管：电流放大（三个电极）
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
第一章 半导体器件知识
第一章《半导体器件的基础知识》一、填空：1、半导体的导电能力随着（掺入杂质）、（光照）、（温度）和（输入电压和电流的改变）条件的不同而发生很大的变化，其中，提高半导体导电能力最有效的办法是（掺入杂质）。
2、（纯净的半导体）叫本征半导体。
3、半导体可分为（P ）型半导体和（N ）型半导体，前者( 空穴)是多子，（电子）是少子。
4、PN结加（正向电压）时导通，加（反向电压）时截止，这种特性称为（单向导电）性。
5、PN结的反向击穿可分为（电）击穿和（热）击穿，当发生（热）击穿时，反向电压撤除后，PN结不能恢复单向导电性。
6、由于管芯结构的不同，二极管可分为（点）接触型、（面）接触型、（平面）接触型三种，其中（点）接触型的二极管PN结面积（小），适宜半导体在高频检波电路和开关电路，也可以作小电流整流，面接触型和平面型二极管PN结接触面（大），载流量（大），适于在（大电流）电路中使用。
7、二极管的两个主要参数是（最大整流电流）和（最高反向电压）使用时不能超过，否则会损坏二极管。
8、在一定的范围内，反向漏电流与反加的反向电压（无关），但随着温度的上升而（上升），反向饱和电流越大，管子的性能就越（差）。
9、硅二极管的死区电压为（0、5）V，锗二极管的死区电压为（0、2）V。
10、三极管起放大作用的外部条件（发射结正偏）和（集电结反偏）11、晶体三极管具有电流放大作用的实质是利用（基极）电流实现对（集电极）电流的控制。
12、3DG8D表示（NPN型硅材料高频小功率三极管）；3AX31E表示（PNP型锗材料低频小功率三极管）。
13、三极管的恒流特性表现在（放大）区，在饱和区，三极管失去（放大）作用，集电结、发射结均（正）偏。
14 集---射击穿电压V（BR）CEO是指（基极开路）时集电极和发射极间所承受的最大反向电压，使用时，集电极电源电压应（＞）这个数值。
15三极管的三种基本联结方式可分为（共基极电路），（共集电极电路）和（共发射极电路）。
精品文档-模拟电子技术(江晓安)(第三版)-第1章
第一章 半导体器件
图 1 – 5 P型半导体的共价键结构
第一章 半导体器件
1.２ＰＮ 结
1.2.1 异型半导体接触现象 在Ｐ型和Ｎ型半导体的交界面两侧, 由于电子和空穴的
浓度相差悬殊, 因而将产生扩散运动。 电子由Ｎ区向Ｐ区扩 散； 空穴由Ｐ区向Ｎ区扩散。 由于它们均是带电粒子(离 子), 因而电子由Ｎ区向Ｐ区扩散的同时, 在交界面Ｎ区剩下 不能移动(不参与导电)的带正电的杂质离子； 空穴由Ｐ区向 Ｎ区扩散的同时, 在交界面Ｐ区剩下不能移动(不参与导电) 的带负电的杂质离子, 于是形成了空间电荷区。 在Ｐ区和Ｎ 区的交界处形成了电场(称为自建场)。 在此电场 作用下, 载流子将作漂移运, 其运动方向正好与扩散运动方 向相反, 阻止扩散运动。 电荷扩散得越多, 电场越强, 因而 漂移运动越强, 对扩散的阻力越大。 当达到平衡时, 扩散运 动的作用与漂移运动的作用相等, 通过界面的载流子总数为 ０, 即ＰＮ结的电流为０。 此时在ＰＮ区交界处形成一个缺 少载流子的高阻区, 我们称为阻挡层(又称为耗尽层)。 上述 过程如图１－６(ａ)、 (ｂ)所示。
所谓“齐纳”击穿, 是指当ＰＮ结两边掺入高浓度的杂 质时, 其阻挡层宽度很小, 即使外加反向电压不太高(一般为 几伏), 在ＰＮ结内就可形成很强的电场(可达2×106 V/cm), 将共价键的价电子直接拉出来, 产生电子-空穴对, 使反向电 流急剧增加, 出现击穿现象。
第一章 半导体器件
对硅材料的ＰＮ结, 击穿电压ＵＢ大于７V时通常是 雪崩击穿, 小于４V时通常是齐纳击穿；ＵＢ在４V和７V之间 时两种击穿均有。由于击穿破坏了ＰＮ结的单向导电特性, 因而一般使用时应避免出现击穿现象。
CT
dQ dU
S W
第一章 半导体器件
1.常用半导体器件
返回
第五节 场效应晶体管
N沟道增强型MOS管 N沟道耗尽型MOS管 MOS管的主要参数及使用注意事项
返回
场效应晶体管是用输入回路的电场效应来控 制半导体中的多数载流子，使流过半导体内的电 流大小随电场强弱而变化，形成电压控制其导电 的一种半导体器件。与晶体管相比场效应晶体管 更易于集成。
场效应晶体管有两种: 结型场效应晶体管 绝缘栅型场效应晶体管
发光二极管的发光颜色取决于使用的材料。
发光二极管只能工作在正向偏置状态，工 作 时电路中必须串接限流电阻。
返回
第四节 晶体管
晶体管的基本结构和类型 晶体管的电流分配和放大原理 晶体管的特性曲线 晶体管的主要参数 温度对晶体管特性和参数的影响
返回
一、晶体管的基本结构和类型
集电极
集电结
集电区
基极
基区
返回
例2、已知ui = 6sinωt，UZ =3V，画输出波形。
ui /V
6
ui
VS
3
uo O
ωt
uo
3
O
ωt
返回
例3、图示电路中，稳压管VS1、VS2的稳压值分
别为UZ1＝5V，UZ2＝7V，正向压降为0.7Ｖ，若
输入电压Ui波形如图所示，试画出输出电压波
形。
Ui
R
12V
Ui R
Uo 6V VS1 VS2 －2V
（ NPN： VBC. > VNBP>NVE V C V B V E
PNP： VC<PUNB <PVE）V C V B V E
返回
例2：有三只晶体管，分别为 锗管β＝150， ICBO＝2μA； 硅管β＝100，ICBO＝1μA； 硅管β＝40，ICEO＝41μA；试从β和温度稳定 性选择一只最佳的管子。 解： β 值大，但ICBO也大，温度稳定性较差； β 值较大，ICBO＝1μA，ICEO＝101 μA ； β 值较小，ICEO＝41μA， ICBO＝1μA。 、 ICBO相等，但 的β 较大，故 较好。
第五节 场效应晶体管
N沟道增强型MOS管 N沟道耗尽型MOS管 MOS管的主要参数及使用注意事项
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场效应晶体管是用输入回路的电场效应来控 制半导体中的多数载流子，使流过半导体内的电 流大小随电场强弱而变化，形成电压控制其导电 的一种半导体器件。与晶体管相比场效应晶体管 更易于集成。
场效应晶体管有两种: 结型场效应晶体管 绝缘栅型场效应晶体管
发光二极管的发光颜色取决于使用的材料。
发光二极管只能工作在正向偏置状态，工 作 时电路中必须串接限流电阻。
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第四节 晶体管
晶体管的基本结构和类型 晶体管的电流分配和放大原理 晶体管的特性曲线 晶体管的主要参数 温度对晶体管特性和参数的影响
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一、晶体管的基本结构和类型
集电极
集电结
集电区
基极
基区
返回
例2、已知ui = 6sinωt，UZ =3V，画输出波形。
ui /V
6
ui
VS
3
uo O
ωt
uo
3
O
ωt
返回
例3、图示电路中，稳压管VS1、VS2的稳压值分
别为UZ1＝5V，UZ2＝7V，正向压降为0.7Ｖ，若
输入电压Ui波形如图所示，试画出输出电压波
形。
Ui
R
12V
Ui R
Uo 6V VS1 VS2 －2V
（ NPN： VBC. > VNBP>NVE V C V B V E
PNP： VC<PUNB <PVE）V C V B V E
返回
例2：有三只晶体管，分别为 锗管β＝150， ICBO＝2μA； 硅管β＝100，ICBO＝1μA； 硅管β＝40，ICEO＝41μA；试从β和温度稳定 性选择一只最佳的管子。 解： β 值大，但ICBO也大，温度稳定性较差； β 值较大，ICBO＝1μA，ICEO＝101 μA ； β 值较小，ICEO＝41μA， ICBO＝1μA。 、 ICBO相等，但 的β 较大，故 较好。
半导体器件的基础知识
1.1 半导体二极管
3．半导体二极管的主要参数 ． （1）最大整流电流 IF： ） 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个 数值，否则可能损坏二极管。 数值，否则可能损坏二极管。 （2）最高反向工作电压 VRM ） 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。 使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。
1.2 半导体三极管
输出特性曲线
1.2 半导体三极管
输出特性曲线族可分三个区： 输出特性曲线族可分三个区： （1）截止区 ） 条件：发射结反偏或两端电压为零。 条件：发射结反偏或两端电压为零。 特点： 特点： IB = 0，IC = ICEO 。 ， （2）放大区 ） 条件：发射结正偏，集电结反偏。 条件：发射结正偏，集电结反偏。 特点： 特点： IC 受 IB 控制 ，即 ∆IC = β∆IB 。 在放大状态， 一定时， 变化， 在放大状态，当 IB 一定时，IC 不随 VCE 变化，即放大状态 的三极管具有恒流特性。 的三极管具有恒流特性。 （3）饱和区 ） 条件：发射结和集电结均为正偏。 条件：发射结和集电结均为正偏。 特点： 特点：VCE = VCES。 VCES 称为饱和管压降，小功率硅管约 0.3 V，锗管约为 0.1 V。 称为饱和管压降， ， 。
1.2 半导体三极管
1.2.1 半导体三极管的基本结构与分类
1．结构及符号 ． PNP 型及 NPN 型三极管的内部结构及符号如图所示。 型三极管的内部结构及符号如图所示。 三区： 发射区、 三区 ： 发射区 、 基 集电区。 区、集电区。 三极： 三极 ： 发射极 E、 、 基极 B、集电极 C。 、 两结： 发射结、 两结 ： 发射结 、 集 电结。 电结。 实际上发射极箭头 方向就是发射结正向电 流方向。 流方向。
第一章常用半导体器件 (2)
Cb
• d
S
式中ε是介质常数，S是PN结的面积，d是PN结的宽度。
❖ 扩散电容Cd
Cd是PN结正向电压变化时， 多数载流子在扩散过程中积累 引起的。反向偏置时，以扩散 电容Cd为主。
PN结正偏时，多数载流子扩 散到对方成为对方区域中的“少 子” (称为“非平衡少子”）这 些少子在正偏电压变化时，也有 堆积与泄放的过程。
＋4
＋4
＋4
电流是电子电流和空穴电流之和，
(而导体只有自由电子导电)。
图 1.1.2 电子-空穴对的产生和空穴的移动
在本征半导体中不断地进行着激发与复合 两种相反的过程， 当温度一定时， 两种状态 达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对， 与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为 动态平衡状态（热平衡）。 半导体中自由 电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载 流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态 下的本征半导体，其载流子的浓度是一定的， 并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。
第一章 常用半导体器件
1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管
有关半导体的基本概念
• 本征半导体、杂质半导体 • 施主杂质、受主杂质 • N型半导体、P型半导体 • 自由电子、空穴 • 多数载流子、少数载流子
§ 1.1 半导体基础知识
自然界的物质按其导电能力可分为导体、半导 体和绝缘体三类。常用的半导体材料有硅（Si）和 锗（Ge）。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。
1.2.4. 二极管的等效电路
(a)理想二极管
(b)正向导通时端电压为常量 (c)正向导通时端电压与电流成线性关系
图１．２．４由伏安特性折线化得到的等效电路
硬件电路设计基础知识
硬件电子电路基础第一章半导体器件§1-1 半导体基础知识一、什么是半导体半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
（导电能力即电导率）（如：硅Si 锗Ge等＋4价元素以及化合物）二、半导体的导电特性本征半导体――纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。
硅和锗的共价键结构。
（略）1、半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化•掺杂──管子•温度──热敏元件•光照──光敏元件等2、半导体中的两种载流子──自由电子和空穴•自由电子──受束缚的电子（－）•空穴──电子跳走以后留下的坑（＋）三、杂质半导体──N型、P型（前讲）掺杂可以显著地改变半导体的导电特性，从而制造出杂质半导体。
•N型半导体（自由电子多）掺杂为＋5价元素。
如：磷；砷P──＋5价使自由电子大大增长原理：Si──＋4价P与Si形成共价键后多余了一个电子。
载流子组成：o本征激发的空穴和自由电子──数量少。
o掺杂后由P提供的自由电子──数量多。
o空穴──少子o自由电子──多子•P型半导体（空穴多）掺杂为＋3价元素。
如：硼；铝使空穴大大增长原理：Si──＋4价B与Si形成共价键后多余了一个空穴。
B──＋3价载流子组成：o本征激发的空穴和自由电子──数量少。
o掺杂后由B提供的空穴──数量多。
o空穴──多子o自由电子──少子结论：N型半导体中的多数载流子为自由电子；P型半导体中的多数载流子为空穴。
§1-2 PN结一、PN结的基本原理1、什么是PN结将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时，交界面两侧的那部分区域。
2、PN结的结构分界面上的情况：P区：空穴多N区：自由电子多扩散运动：多的往少的那去，并被复合掉。
留下了正、负离子。
（正、负离子不能移动）留下了一个正、负离子区──耗尽区。
由正、负离子区形成了一个内建电场（即势垒高度）。
方向：N--> P大小：与材料和温度有关。
（很小，约零点几伏）漂移运动：由于内建电场的吸引，个别少数载流子受电场力的作用与多子运动方向相反作运动。
第一章半导体器件基础知识
江西应用技术职业学院
16
本章概述
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
第一章 半导体器件基础知识
2. 最高反向工作电压 UR
工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电
压 UBR 的一半定义为 UR 。
第
二
3. 反向电流 IR
节
通常希望 IR 值愈小愈好。
半 导
4. 最高工作频率 fM
体 二
如果给PN外加反向电压，即P区接电源的负极，N区接电源的
正极，称为PN结反偏，如图所示。
外加电压在PN结上所形成的外电场与PN结内电场的方向相同， 第
增强了内电场的作用，破坏了原有的动态平衡，使PN结变厚，加 强了少数载流子的漂移运动，由于少数载流子的数量很少，所以 只有很小的反向电流，一般情况下可以忽略不计。这时称PN结为
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22
本章概述
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
第一章 半导体器件基础知识
2．光电二极管 光电二极管又称光敏二极管，是一种将光信号转换为电信号的 特殊二极管（受光器件）。光电二极管的符号如图所示。
受光面
受光面
第
二
节
半
光电二极管工作在反向偏置下，无光照时，流过光电二极管的电 导
管
第五节
击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电
压降低后，还可恢复正常。
江西应用技术职业学院
15
第一章 半导体器件基础知识
三、温度对二级管特性的影响
本章概述
1．温度升高1℃，硅和锗二极管导通时的正向压降UF将
减小2.5mv左右。
第一节
2．温度每升高10℃，反向电流增加约一倍。
第1章半导体元件及其特性
退出
注意： 注意： 半导体与导体不同， 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 流子参与导电 自由电子与空穴。 自由电子与空穴 外加电场的作用下， 外加电场的作用下，有： I=In（电子电流）+Ip（空穴电流） 电子电流） 空穴电流） 空穴导电的实质是价电子的定向移动！ 空穴导电的实质是价电子的定向移动！
这四个价电子不仅受自身原子核的束缚， 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： 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） 价电子（热激发） 自由电子-空穴对 自由电子 空穴对 复合 平衡
（1）温度越高，自由电子 空穴 ）温度越高，自由电子-空穴 对数目越多； 对数目越多； 空穴数目相等， （2）自由电子 空穴数目相等， ）自由电子-空穴数目相等 对外不显电性。 对外不显电性。 硅（锗）原子在晶体中的共价键排列
退出
1.1.1 半导体的特点
1.半导体的特点 半导体的特点 半导体是制造电子器件的主要原料， 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， 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。 可以随温度、光照、杂质等因素的不同而呈现显著的区别。
第 1 章
半导体元件及其特性
半导体基础知识与PN结 半导体基础知识与 结 二极管 晶体管 场效应管 本章小结
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1.1
半导体基础知识 PN结 与PN结
主要要求： 主要要求：
了解半导体材料的基本知识 了解半导体材料的基本知识 半导体 理解关于半导体的基本概念 理解关于半导体的基本概念 半导体 理解PN结的形成 理解PN结的形成 PN 掌握PN结的单向导电作用 掌握PN结的单向导电作用 PN
第1章半导体器件
击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适 当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过 热而烧坏。如稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻 R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmin的范围内。
在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围 内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就 是利用这一点达到“稳压”效果的。
2 何谓杂质半 导体？N型半导 体中的多子是 什么？少子是 什么？
3 P型半导体中的空 穴多于自由电子，是 否意味着带正电？N 型半导体是否带负 电？
10
1.1 半导体基础知识
g. PN结及其形成过程
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它 们并不能称为半导体器件。
空间电荷区
P区
在一块晶片的两端分别注入三价 元素硼和五价元素磷
内电场 外电场
V
IS
13
1.1 半导体基础知识
i. PN结的电流方程
一般地：
qu
i I s (e kT 1)
可以简化为，
u
i
I
I
s
(eUT
1)
当T=300K时，
u
i I s (e 0.026 1)
14
1.1 半导体基础知识
j. PN结的伏安特性曲线
当u>> UT时，
u
i IseUT
反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。
外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二 极管失去单向导电性，进入反向击穿区。
23
1.2 半导体二极管
正向导通区的讨论
I (mA) 60
当外加正向电压大于死区电压时，二 极管由不导通变为导通，电压再继续增
在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围 内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就 是利用这一点达到“稳压”效果的。
2 何谓杂质半 导体？N型半导 体中的多子是 什么？少子是 什么？
3 P型半导体中的空 穴多于自由电子，是 否意味着带正电？N 型半导体是否带负 电？
10
1.1 半导体基础知识
g. PN结及其形成过程
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它 们并不能称为半导体器件。
空间电荷区
P区
在一块晶片的两端分别注入三价 元素硼和五价元素磷
内电场 外电场
V
IS
13
1.1 半导体基础知识
i. PN结的电流方程
一般地：
qu
i I s (e kT 1)
可以简化为，
u
i
I
I
s
(eUT
1)
当T=300K时，
u
i I s (e 0.026 1)
14
1.1 半导体基础知识
j. PN结的伏安特性曲线
当u>> UT时，
u
i IseUT
反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。
外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二 极管失去单向导电性，进入反向击穿区。
23
1.2 半导体二极管
正向导通区的讨论
I (mA) 60
当外加正向电压大于死区电压时，二 极管由不导通变为导通，电压再继续增
模拟电子技术基础第四版课件-第一章
60A 40A
20A IB=0 9 12 UCE(V)
(1-51)
4
IC(mA
) 此区域中UC1E00UBAE,
集电结正偏，
3
IB>IC，UCE800.3VA 称为饱和区。
60A
2
40A
1
20A
IB=0
3 6 9 12 UCE(V)
(1-52)
IC(mA ) 4 3
2
此1区00域A中 :
I,UB=B80E0<,ICA死=I区CEO 电压60，A称为 截止40区A。
变薄
+ P
－+ －+ －+ －+
内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
_ N
外电场
R
内电场
E
(1-22)
2、PN 结反向偏置
_ P
变厚
－+ －+ －+ －+
内电场被被加强，多子
的扩散受抑制。少子漂
移加强，但少子数量有
限，只能形成较小的反
向电流。
+
N
内电场
外电场
R
E
(1-23)
3 PN 结方程
I
U
I I S (e UT 1)
U
三 PN结的击穿
(1-24)
四 PN结的电容效应
PN结高频小信号时的等效电路： rd
势垒电容和扩散电 容的综合效应
(1-25)
1. 2 半导体二极管
1.2. 1 半导体二极管的结构和符号
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
点接触型
触丝线
PN结
引线 外壳线
20A IB=0 9 12 UCE(V)
(1-51)
4
IC(mA
) 此区域中UC1E00UBAE,
集电结正偏，
3
IB>IC，UCE800.3VA 称为饱和区。
60A
2
40A
1
20A
IB=0
3 6 9 12 UCE(V)
(1-52)
IC(mA ) 4 3
2
此1区00域A中 :
I,UB=B80E0<,ICA死=I区CEO 电压60，A称为 截止40区A。
变薄
+ P
－+ －+ －+ －+
内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
_ N
外电场
R
内电场
E
(1-22)
2、PN 结反向偏置
_ P
变厚
－+ －+ －+ －+
内电场被被加强，多子
的扩散受抑制。少子漂
移加强，但少子数量有
限，只能形成较小的反
向电流。
+
N
内电场
外电场
R
E
(1-23)
3 PN 结方程
I
U
I I S (e UT 1)
U
三 PN结的击穿
(1-24)
四 PN结的电容效应
PN结高频小信号时的等效电路： rd
势垒电容和扩散电 容的综合效应
(1-25)
1. 2 半导体二极管
1.2. 1 半导体二极管的结构和符号
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
点接触型
触丝线
PN结
引线 外壳线
第一章半导体器件特性
图1.1.5 P型半导体
多数载流子
少数载流子
空穴 — 多子 电子 — 少子
1.1 半导体的导电特性
小结 本讲主要介绍了下列半导体的基本概念:
本征半导体 本征激发、空穴、载流子
杂质半导体 P型半导体和N型半导体 受主杂质、施主杂质、多子、少子
1.2 PN结
1.2.1 PN结的形成
图1.2.1 载流子的 扩散运动
1.1 半导体的导电特性
1.1.2杂质半导体的导电特性
一、N 型半导体
+4
+4
+4
多数载流子
正离子 少数载流子
+4
+5
+4
磷原子
自由电子
载流子数 电子数
图1.1.4 N型半导体
电子为多数载流子 空穴为少数载流子
1.1 半导体的导电特性
二、P 型半导体
负离子
+4
+4
+4
+4
+3
+4
硼原子
空穴
载流子数 空穴数
1.5 场效应管
特点: 利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅 靠半导体中的多数载流子导电（单极型晶体管）； 输入阻抗高（107~1012 ），噪声低，热稳定性 好，抗辐射能力强，功耗小。
分类:
1.5 场效应管
1.5.1结型场效应管 一、结构
N沟道结型场效应管结构示意图 N沟道管符号 P沟道管符号
1.4.1晶体管的结构及符号 结构: 三个区: 发射区、基区和集电区
三个极: 发射极、基极和集电极 两个结: 发射结、集电结
晶体管结构示意图
晶体管符号
1.4 双极型晶体管
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第一章
半导体器件
半导体物理基础知识
复合 运动中的自由电子如果“跳进” 空穴.重新被共价键束缚起来, 电子空穴对消失 称复合
在一定温度下,复合使半导 体中载流子浓度一定
晶体结构
+4
共价健
+4
电 子
+4
特点
电子、空穴两种 载流子成对出现； 常温下载流子数 量少，导电性差； 受外界影响大。
+4
空穴
+4
∵反偏时电压变化很大，而电流变化极微 ∴ PN结等效为一大电阻（反向电阻大） PN结这种只允许一个方向电流顺利 通过的特性 —— 单向导电性
PN结两端加电压
PN结 P
- + - + - + E
P接“+” 正向偏置 N接“-”
N I(mA)
U(V)
击穿
P接“-” 反向偏置 N接“+”
2015-3-4
§1.1 PN结及二极管
七 二极管模型 (等效电路)
理想时
正向偏置时 管压降为零 V=0 (短路) 反向偏置时 管电流为零 I=0 (开路)
非理想时
正向偏置时 反向偏置时 有UD(ON) I (很小)
§1.2晶体三极管
把两个PN结做在一起,这两个互有影响的PN结构成 的半导体器件 称 晶体管 它有三个引出电极，习惯 上又称 晶体三极管
§1.2晶体三极管
三种组态
共基极
共发射极
共集电极
基极 注 意
只能做输入端 不能做输出端
集电极 只能做输出端 不能做输入端
发射极 即能做输入端 又能做输出端
§1.2晶体三极管
ICN IC ICBO 1 定义 共基极直流电流放大系数 IEN IE
∴ IC= α IE+ICBO≈ α IE IB = IBN－ICBO= IE－IC =（1－ α）IE－ICBO≈（1－ α ）IE IE= IC+IB
§1.2晶体三极管
B区：传递和控制电子 复合产生的电流IBN IB=IBN－ICBO （扩散） （复合） ∵ 基区很薄 空穴浓度低 ∴ 被复合的电子数极少,大部分都扩散到c结边沿 IC=ICN＋ICBO（反向饱和电流） C区：收集电子ICN （漂移） 集电区和基区的少子在ｃ结反向 电压作用下漂移到对方 形成ICBO 过程：注入 扩散 复合 收集
第一章
半导体器件
半导体物理基础知识
二 杂质半导体- 在本征半导体中掺入微量的杂 质使其导电能力产生明显变化 N型半导体- 掺入微量的五价元素(磷 砷 锑) 由于杂质原子提供自由电子---称 施主原子 N型杂质半导体中电子浓度比同一温度下 本征半导体的电子浓度大得多 所以 加强了导电能力 多子――电子 少子――空穴
第一章
半导体器件
半导体基础知识 §1.1 PN结及晶体二极管 §1.2 晶体三极管 §1.3 场效应管
结型场效应管(JFET) 金属-氧化物-半导体场效应管 （MOSFET）
总结
第一章
半导体器件
半导体基础知识
自然界中物质按其导电能力可分为 很容易传导电流的物质 （铜 铅） 绝缘体: 几乎不能传导电流 (橡皮 陶瓷 石英 塑料) 半导体: 导电能力介于导体与绝缘体之间 ( 硅 锗 ) (本征 杂质) (都是4阶元素 ) 导体 :
§1.1 PN结及二极管
PN结一旦击穿后,可认为反向电压 几乎不变 近似为V(BR) 雪崩击穿—轻掺杂 掺杂越低 击穿电压越大 击 V(BR)>7V以上 击穿 (Si) 穿 齐纳击穿—重掺杂 掺杂越高 击穿电压越低 V(BR)<5V以下 击穿 (Si) 只要限制击穿时的电流，击穿并 不损坏PN结
§1.1 PN结及二极管
ICEO = (1+ β ) ICBO 电流分配关系
ICN IC ICBO 定义 共e极直流电流放大系数 IBN IB ICBO
IC=ICN＋ ICBO= β IB+(1+ β ) ICBO ≈ β IB IE≈IEN= IBN+ ICN =(1+ β ) IB＋(1+ β ) ICBO≈(1+ β ) IB
§1.1 PN结及二极管
1.PN结的反向特性 — 外电场使耗尽层变宽 使 漂移（少子）> 扩散（多子） ∴回路中的反向 电流 I’非常微弱 一般Si 为nA 级 Ge 为uA 级 又∵少子是本征激发产生 ∴管子制成后其数值与温度有关 T↑ → I’↑
§1.1 PN结及二极管
反向电流不仅很小，而且当外加电压 超过零点几伏后， ∵ 少子供应有限， 它基本不随外加电压的增加而增加。 ∴ 称为反向饱和电流
§1.1 PN结及二极管
在一块硅片上，用不同的掺杂工艺，使其一 边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，则在 其交界面附近形成了PN结。 一 PN结的形成 1.空间电荷区 P型 N型半导体 结合在一起时， 由于交界面两侧多子与少子 浓度不同 引起 扩散运动 （浓度差引起）
PN结
P型 - - - - 浓度差 内电场
§1.1 PN结及二极管
为保证PN结正常工作。它的工作温度不能 太高，温度的限制与掺杂浓度有关，掺杂越 大，最高工作温度越高 三 PN结的击穿 当PN结处于反向偏置时,在一定范围内的反 向电压作用下,流过PN结的电流是很小的反向 饱和电流,但当反向电压超过某一数值后,反 向电流会急剧增加 称 PN结的击穿 把反向电流开始明显增大时所对应 的反向电压 称 击穿电压 V(BR)
U正偏时, U>UT ∴ I=IseU/UT
实际特性在I较大时与指数特性有一定差异 I Ge Si ∵在上面讨论忽略了引出线 的接触电阻，P区N区的体电 Ge 0.2-0.3V 0.2V Si 0.6-0.8V 0.7VU 阻及表面漏电流影响 导通电压 导通电压-- 正向电流有明显数 死区电压 值时所对应的电压 阈值电压 ∵ 正向电压较小时,不足影响内电场 ∴载流子扩散运动尚未明显增加 正向电流→0
du rD ≈ U/ I di Q
室温下 r ≈ 26mV D IDQ T=300K
u
u
§1.1 PN结及二极管
反向几十K-几M 正反向电阻相差越大 单向导电性越好 二极管交直流电阻都与工作点有关 且同一点的交、直流电阻也不相同 可见 二极管的交、直流电阻是两个不同 的概念,且交流电阻与电压、电流 之间的关系是非线性的 3.最大整流电流IF 允许流过的最大正向平均电流 应用时不能超过此值
§1.1 PN结及二极管
三 温度对伏安特性影响
I IS2 IS1
关系式: T T↑—正向特性左移，反向 V(BR) 电流明显增大，T 每升 高10摄氏度 Is增加一倍 T 当T↑到一定程度时， 由本征激发产生的少子浓度超过原来杂质 电离产生的多子浓度，杂质半导体 与本征半导体一样，PN结不再存在
U
杂质半导体
掺入五价元素
+4
掺入三价元素
+4
+4
+5
+4
+4
+3
+4
+
+4
+4
-
N型 半导体
多子—电子 少子—空穴
P型 半导体
多子—空穴 少子—电子
第一章
半导体器件
半导体物理基础知识
P型半导体 — 掺入微量的三价元素（硼 铝） 由于杂质原子吸收电子——受主原子 多子——空穴 少子——电子 P型杂质半导体中空穴浓度比同一温度下 本征半导体的空穴浓度大得多，所以加 强了导电能力 杂质半导体中 多子浓度由掺杂浓度决定 少子浓度由温度决定
§1.1 PN结及二极管
2. 对称结与不对称结 ∵ 空间电荷区中没有载流子 ∴又称耗尽层 ∵ 耗尽层中正 负电荷量相等 ∴ 当N与P区杂 P+N结 PN＋结 质浓度相同时， 图 1-8 不对称PN结 耗尽层在两个区内的宽度也相等— 对称结 否则杂质浓度较高的一侧耗尽层宽度 小于低的一侧——不对称结
-
-
-
+ + + +
+ + + +
+ + + +
N型 + + + + + + + +
扩散电流
漂移电流
内电场作用
§1.1 PN结及二极管
N区电子→ P型与空穴结合 在P区留下带负电荷的离子 P区空穴→ N区与电子复合 在N区留下带正电荷的离子 空间电荷区形 成一个由N指向 P的电场 —— 内电场
平衡后的PN结
四 PN结电容 势垒电容 -- 由PN结反向偏置引起
PN结 的结 电容 是两 者之 和
结电容可通过外加反向 偏压来控制，利用这一 特 性可制成 变容二极管 扩散电容 --由PN结正向偏置引起
正向PN结的结电容以扩散电容为主
§1.1 PN结及二极管
晶体二极管是由PN结加上电极引线和管 壳构成的，其结构示意图和电路符号分别如下
单向导电 性
§1.1 PN结及二极管
3.PN结伏安特性表示式
Is —— 反向饱和电流
决定于PN结的材料，制造工艺、温度 UT =kT/q ---- 温度的电压当量或热电压 当 T=300K时, UT = 26mV K—波耳兹曼常数 T—绝对温度 q—电子电荷 u—外加电压 U 为反向时，且
§1.1 PN结及二极管
所以 在交界
面附近形成了 不能移动的带 电离子组成的 空间电荷区
§1.1 PN结及二极管
扩散使空间电荷区加宽。内电场加强， 而内电场阻止扩散进行 促使P区电子→N N区空穴→P
引起
漂移运动 （内电场引起）
内电场增加，扩散减弱，漂移增加。 最后 漂移 == 扩散 动态平衡 通过PN结之间电流为零