第一章常用半导体器件

当 PN结外加反向电压，且|U|>>UT时：i Is
I /mA
U（BR）
反 向
击
穿
正向特性 u /V
O
五、PN 结的电容效应
1. 势垒电容Cb 当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，
即耗尽层电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容 器的充放电过程相同。耗尽层宽度变化所等效的电容称为势 垒电容
2. 扩散电容Cd 扩散区内，也存在着电荷
的积累和释放过程，这种现象 与电容器的充放电过程相同。
扩散区少子浓度的变化所 等效的电容成为扩散电容 PN结的结电容：Cj=Cb+Cd
Cj一般都很小，低频时可忽略。
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 晶体三极管 §1.4 场效应管
3. 反向电流IR 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，
说明管子的单向导电性差，IR受温度的影响，温度越高反向电 流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管
的几十到几百倍。
影响工作频率的原因 — PN 结的电容效应
1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。 高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性
温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
三、PN 结的电流方程
IIS(eu/UT 1)
反向饱 和电流
温度的 电压当量
其中，
玻尔兹曼 常数
UT

kT q
热力学温 度
电子电量
当 T = 300K(27C，常温下)： UT = 26 mV
四、PN 结的伏安特性
IIS(eu/UT 1) 当 PN结外加正向电压，且U>>UT时：i Iseu/UT
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
外电场
+–
内电场被削
弱，多子的扩 散加强，形成 较大的扩散电 流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向 电阻较小，PN结处于导通状态。
2. PN结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
－－－ － －－ + + + + + + －－－ － －－ + + + + + + －－－ － －－ + + + + + +
P+ – N
U Uon iD 急剧上升
U 导通压降U
U: 0.6~0.8 (硅) 0.1~0.3 (锗)
I
反向饱 和电流
反向击穿
电压U(BR)
Is
P– + N
开启电压
Uon
U
导通压降U
外加电压大于反向击穿 电压，二极管被击穿，失 去单向导电性。
反向击穿类型： 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性
u
if(u)IS(eUT 1)
特点：非线性 反向特性
P– + N
I
正向特性
P+ – N
U
正向特性为 指数曲线
反向特性为横轴的平行线
u
i IS(eUT 1)
I
开启电压
Uon
0 U Uon iD = 0
外加电压大于开启电 压二极管才能导通。
Uon:0.6V (硅管) 0.1V (锗管)
反向击穿原因： 齐纳击穿： 反向电场太强，将电子强行拉出共价键。
雪崩击穿： 反向电场使少子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。
材料 硅Si 锗Ge
开启电压 0.5V 0.1V
导通电压 0.5~0.8V 0.1~0.3V
反向饱和电流 1µA以下 几十µA
温度对二极管特性的影响
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓
3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。
4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。
（a. 电子电流、b.空穴电流）
1一.1、.3PNPN结结的形成
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。
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + +
运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚
－－－－－－ + + + + + +
度固定不变。
扩散电流 等于漂移电流
浓度差 复合使交界面形 成空间电荷区
多子的扩散运动
扩散的结果使空 间电荷区变宽。
总电流 I = 0
注意:
1.空间电荷区中没有载流子。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的 导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要 的外部因素，这是半导体的一大特点。
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 具有不同于其它物质的特点：
当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。
iD
rD
近似分析 中最常用
UD(on) U
rD

U I
I uD
uD = UD(on)
0.7 V (Si) 0.2 V (Ge)
铝合金小球 阳极引线
N 型硅
PN 结 金锑合金
底座
阴极引线
(b) 面接触型
结面积大，结电容大 故结允许的电流大 最高工作频率低
用于较低频电路
阳极引线 二氧化硅保护层
N型硅 阴极引线
( c ) 平面型
P 型硅
结面积可小、可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大
所以可用于不同电路中
1.2.2 二极管的伏安特性
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移 T 升高时，UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降
二极管的单向导电性
二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流 较大。
二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流 很小。
第一章
常用半导体器件
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 晶体三极管 §1.4 场效应管
导体 — 铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子
在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体 — 惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子 核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。
1.2.1 二极管的组成及常见的几种结构
构成： 将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
符号： 阳极 D 阴极
硅二极管 按材料分
锗二极管
分类：
按结构分
点接触型 面接触型 平面型
二极管的结构示意图
金属触丝 阳极引线
N型锗片 阴极引线
结面积小，结电容小 故结允许的电流小 最高工作频率高
( a ) 点接触型 外壳 用于小功率整流和高频电路
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， （电子半导体）。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体， （空穴半导体）。
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷， 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷 原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻 的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子， 这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为 自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正 电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施 主原子。
自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。
空穴
+4
+4
+4
+4
自由电子 束缚电子
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。 近似认为多子与杂质浓度相等。
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 如硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们 原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体 与绝缘体之间。